Ferromagnetyzm: materiały ferromagnetyczne, zastosowania i przykłady
Ferromagnetyzm jest właściwością, która daje niektórym substancjom intensywną i trwałą reakcję magnetyczną. W naturze występuje pięć elementów z tą właściwością: żelazo, kobalt, nikiel, gadolin i dysproz, te ostatnie pierwiastki 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 określająca tę odpowiedź to przenikalność magnetyczna.
Przepuszczalność magnetyczna jest bezwymiarową wielkością podaną przez iloraz między natężeniem pola magnetycznego generowanego wewnątrz materiału a natężeniem pola magnetycznego zastosowanego zewnętrznie.
Gdy ta odpowiedź jest znacznie większa niż 1, materiał jest skatalogowany jako ferromagnetyczny. Jeśli jednak przepuszczalność nie jest większa niż 1, odpowiedź magnetyczna jest uważana za słabszą, materiały paramagnetyczne.
W żelazie przenikalność magnetyczna jest rzędu 104. Oznacza to, że pole wewnątrz żelaza jest około 10 000 razy większe niż pole stosowane zewnętrznie. Co daje wyobrażenie o tym, jak potężna jest reakcja magnetyczna tego minerału.
W jaki sposób reakcja magnetyczna powstaje wewnątrz substancji?
Wiadomo, że magnetyzm jest efektem związanym z ruchem ładunków elektrycznych. Właśnie na to składa się prąd elektryczny. Skąd w takim razie właściwości magnetyczne magnesu z prętem, z którym uwięziona została nuta w lodówce?
Materiał magnesu, a także każda inna substancja zawiera wewnątrz protony i elektrony, które mają swój własny ruch i generują prądy elektryczne na różne sposoby.
Bardzo uproszczony model zakłada elektron na orbicie kołowej wokół jądra utworzonego przez protony i neutrony, tworząc w ten sposób maleńką pętlę prądową. Każda spirala jest powiązana z wielkością wektora zwaną „orbitalnym momentem magnetycznym”, którego natężenie jest określone przez iloczyn prądu i obszaru wyznaczonego przez pętlę: magnetonu Bohra.
Oczywiście w tej małej pętli prąd zależy od ładunku elektronu. Ponieważ wszystkie substancje zawierają elektrony w swoim wnętrzu, wszystkie mają w zasadzie możliwość wyrażania właściwości magnetycznych. Jednak nie wszyscy to robią.
Dzieje się tak, ponieważ ich momenty magnetyczne nie są wyrównane, ale rozmieszczone we wnętrzu w przypadkowy sposób, w taki sposób, że ich efekty magnetyczne na poziomie makroskopowym są anulowane.
Historia się tutaj nie kończy. Moment magnetyczny wytwarzany przez ruch elektronu wokół jądra nie jest jedynym możliwym źródłem magnetyzmu na tej skali.
Elektron ma swego rodzaju ruch obrotowy wokół swojej osi. Jest to efekt, który powoduje wewnętrzny moment pędu. Ta właściwość nazywa się spinem elektronu.
Naturalnie ma też skojarzony moment magnetyczny i jest znacznie bardziej intensywny niż moment orbitalny. W rzeczywistości największy wkład do momentu magnetycznego atomu ma spin, niemniej jednak oba momenty magnetyczne: przesunięcia plus wewnętrzny moment pędu, przyczyniają się do całkowitego momentu magnetycznego atomu.
Te momenty magnetyczne to te, które mają tendencję do wyrównywania się w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Robią to także z polami utworzonymi przez sąsiednie momenty w materiale.
Teraz elektrony zwykle tworzą pary atomów z wieloma elektronami. Pary powstają między elektronami o przeciwnych obrotach, co powoduje anulowanie momentu magnetycznego spinów.
Jedynym sposobem, w jaki spin przyczynia się do całkowitego momentu magnetycznego, jest to, że niektóre pozostają niesparowane, to znaczy atom ma nieparzystą liczbę elektronów.
Można się zastanawiać, co jest w momencie magnetycznym protonów w jądrze. Cóż, mają także moment wirowania, ale nie uważa się, że ma on znaczący udział w magnetyzmie atomu. Dzieje się tak, ponieważ moment wirowania zależy odwrotnie od masy, a masa protonu jest znacznie większa niż elektronu.
Domeny magnetyczne
W żelazie, kobalcie i niklu, triadzie pierwiastków z wielką reakcją magnetyczną, moment obrotowy spinów wytwarzanych przez elektrony nie wynosi 0. W tych metalach elektrony w orbicie 3d, najbardziej oddalonym, są które przyczyniają się do momentu magnetycznego. Dlatego takie materiały są uważane za ferromagnetyczne.
Jednak ten indywidualny moment magnetyczny każdego atomu nie jest wystarczający do wyjaśnienia zachowania materiałów ferromagnetycznych.
Wewnątrz silnie magnetycznych materiałów znajdują się regiony zwane domenami magnetycznymi, których rozszerzenie może mieścić się w zakresie od 10-4 do 10-1 cm i które zawierają miliardy atomów. W tych regionach momenty spinowe sąsiadujących atomów osiągają silne sprzężenie.
Kiedy materiał posiadający domeny magnetyczne zbliża się do magnesu, domeny wyrównują się ze sobą, intensyfikując efekt magnetyczny.
Dzieje się tak, ponieważ domeny, takie jak magnesy prętowe, mają bieguny magnetyczne, równie oznaczone jako Północ i Południe, tak że równe bieguny odpychają się i przyciągają przeciwieństwa.
Ponieważ domeny są wyrównane z polem zewnętrznym, materiał emituje chrupnięcia, które można usłyszeć poprzez odpowiednie wzmocnienie.
Efekt ten można zaobserwować, gdy magnes przyciąga paznokcie słodkiego żelaza, a te z kolei zachowują się jak magnesy przyciągające inne paznokcie.
Domeny magnetyczne nie są statycznymi granicami ustanowionymi w materiale. Jego wielkość można modyfikować przez chłodzenie lub ogrzewanie materiału, a także poddawanie go działaniu zewnętrznych pól magnetycznych.
Jednak wzrost domeny nie jest nieograniczony. W momencie, w którym nie można już ich wyrównać, mówi się, że osiągnięto punkt nasycenia materiału. 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, różni się w zależności od rodzaju materiału, w przypadku magnesu prętowego zazwyczaj traci się go w około 770 ° C.
Po usunięciu magnesu magnetyzacja gwoździ zostaje utracona z powodu ciągłego mieszania termicznego. Ale są też inne związki, które mają trwałe namagnesowanie, ponieważ mają spontanicznie wyrównane domeny.
Domeny magnetyczne można zaobserwować, gdy płaska powierzchnia niemagnetycznego materiału ferromagnetycznego, takiego jak żelazo, jest bardzo dobrze przecięta i wypolerowana. Po wykonaniu tej czynności jest posypywany drobnym pyłem żelaznym lub opiłkami.
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 domeny zachowują się we wnętrzu.
Histereza magnetyczna
Histereza magnetyczna jest cechą charakterystyczną, którą posiadają tylko materiały o wysokiej przenikalności magnetycznej. Nie jest prezentowany przez materiały paramagnetyczne lub diamagnetyczne.
Reprezentuje efekt zastosowanego zewnętrznego pola magnetycznego, które jest oznaczone jako H na indukcji magnetycznej B metalu ferromagnetycznego podczas cyklu namagnesowania i desimanacji. Przedstawiony wykres ma nazwę krzywej histerezy.
Początkowo w punkcie O nie ma zastosowanego pola H ani odpowiedzi magnetycznej B, ale wraz ze wzrostem intensywności H indukcja B wzrasta stopniowo aż do osiągnięcia wartości nasycenia Bs w punkcie A, co jest oczekiwane.
Teraz intensywność H jest stopniowo zmniejszana, aż osiągnie wartość 0, dzięki czemu docieramy do punktu C, jednak reakcja magnetyczna materiału nie znika, zachowując pozostałą namagnesowanie wskazywane przez wartość B r . Oznacza to, że proces nie jest odwracalny.
Stamtąd intensywność H wzrasta, ale z odwróconą polaryzacją (znak ujemny), tak że pozostała magnetyzacja jest anulowana w punkcie D. Niezbędna wartość H jest oznaczana jako H c i nazywana jest polem przymusu .
Wielkość H wzrasta aż do osiągnięcia ponownie wartości nasycenia w E i natychmiast natężenie H maleje, aż osiągnie wartość 0, ale pozostaje pozostała magnetyzacja z biegunowością przeciwną do opisanej powyżej, w punkcie F.
Teraz polaryzacja H jest ponownie odwracana, a jej wielkość jest zwiększana, aż reakcja magnetyczna materiału w punkcie G zostanie anulowana. Po ścieżce GA jej nasycenie jest ponownie uzyskiwane. Ale interesujące jest to, że nie dotarłeś tam oryginalną ścieżką wskazaną przez czerwone strzałki.
Twarde magnetycznie i miękkie materiały: zastosowania
Słodkowodne żelazo jest łatwiejsze do namagnesowania niż stal i stukanie w materiał ułatwia wyrównanie domen.
Gdy materiał jest łatwy do namagnesowania i rozmagnesowania, mówi się, że jest on magnetycznie miękki i oczywiście, jeśli tak się stanie, jest to materiał magnetycznie twardy . W tych ostatnich domeny magnetyczne są małe, podczas gdy w pierwszym są one duże, więc można je zobaczyć przez mikroskop, jak opisano powyżej.
Obszar otoczony 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 koercji H c oraz wąską i wysoką krzywą histerezy. Jest to odpowiedni materiał do umieszczenia go w rdzeniu transformatora elektrycznego. Przykładami są słodkie żelazo i stopy krzemu i żelaza oraz niklu i żelaza, przydatne do urządzeń komunikacyjnych.
Z drugiej strony, magnetycznie twarde materiały są trudne do rozmagnesowania po namagnesowaniu, takie jak stopy stopu (aluminium-nikiel-kobalt) i stopy metali ziem rzadkich, z którymi wytwarzane są magnesy trwałe.
