FEROMAGNETIZEM: MATERIALI, APLIKACIJE IN PRIMERI - FIZIČNO - 2026

Feromagnetizem je lastnost, ki daje nekatere snovi, intenzivno in trajno magnetne odziv. V naravi je pet elementov s to lastnostjo: železo, kobalt, nikelj, gadolinij in disprozij, slednja redka zemlja.

V prisotnosti zunanjega magnetnega polja, kakršnega ustvarja naravni magnet ali elektromagnet, se snov odziva na značilen način glede na svojo notranjo konfiguracijo. Velikost, ki količinsko opredeljuje ta odziv, je magnetna prepustnost.

Magneti, ki tvorijo most. Vir: Pixabay

Magnetna prepustnost je brezdimenzijska količina, izražena s količnikom med intenziteto magnetnega polja, ustvarjenega znotraj materiala, in intenzivnostjo magnetnega polja, ki se uporablja zunaj.

Če je ta odgovor veliko večji od 1, je material razvrščen kot feromagnetni. Če pa prepustnost ni večja od 1, magnetni odziv velja za šibkejši, so to paramagnetni materiali.

Pri železu je magnetna prepustnost reda 10 ⁴ . To pomeni, da je polje znotraj železa približno 10.000-krat večje od polja, ki se uporablja zunaj. Kar daje predstavo, kako močan je magnetni odziv tega minerala.

Kako nastane magnetni odziv znotraj snovi?

Magnetizem je znan kot učinek, povezan z gibanjem električnih nabojev. Prav to je sestavljeno iz električnega toka. Od kod potem izvirajo magnetne lastnosti palice z magnetom, s katerim je bila na hladilniku nalepljena nota?

Material magneta in tudi katera koli druga snov vsebujeta protone in elektrone, ki se gibljejo sami in na različne načine ustvarjajo električne tokove.

Zelo poenostavljen model predvideva, da je elektron v krožni orbiti okoli jedra, sestavljen iz protonov in nevtronov, s čimer tvori majhen zanko toka. Vsaka zanka je povezana z vektorsko velikostjo, imenovano "orbitalni magnetni trenutek", katere intenziteto podaja produkt toka in območje, ki ga določa zanka: Bohrov magneton.

Seveda je v tej majhni zanki tok odvisen od naboja elektrona. Ker vse snovi vsebujejo elektrone v svoji notranjosti, imajo vse načeloma možnost izražanja magnetnih lastnosti. Vendar pa vsi ne.

To je zato, ker njegovi magnetni trenutki niso poravnani, temveč naključno razporejeni v notranjosti, tako da se njeni makroskopski magnetni učinki odpovejo.

Tu se zgodba ne konča. Produkt magnetnega trenutka gibanja elektronov okoli jedra ni edini možni vir magnetizma v tej lestvici.

Elektroni imajo nekakšno vrteče se gibanje okoli svoje osi. To je učinek, ki se prevede v notranji kotni zagon. Ta lastnost se imenuje spiranje elektronov.

Seveda ima tudi pripadajoči magnetni trenutek in je veliko močnejši od orbitalnega. Pravzaprav največji prispevek k neto magnetnemu trenutku atoma prinese vrtenje, vendar oba magnetna trenutka: prevajalni plus intrinzični kotni zagon prispevata k skupnemu magnetnemu trenutku atoma.

Ti magnetni trenutki so tisti, ki se ponavadi poravnajo v prisotnosti zunanjega magnetnega polja. In to storijo tudi s polji, ki so jih ustvarili sosednji trenutki v materialu.

Zdaj se elektroni navadno parijo v atomih z veliko elektroni. Med elektroni z nasprotnim spin se tvorijo pari, kar povzroči, da se magnetni trenutek odpove.

Edini način, da spin prispeva k skupnemu magnetnemu trenutku, če je eden od njiju par, to je, da ima atom liho število elektronov.

Kaj pa magnetni moment protonov v jedru? No, tudi oni imajo trenutek zavrtanja, vendar se ne šteje, da bi bistveno prispevali k magnetizmu atoma. To je zato, ker je vrtilni moment obratno odvisen od mase in je masa protona veliko večja od mase elektrona.

Magnetne domene

V železu, kobaltu in niklu, triadi elementov z velikim magnetnim odzivom, neto vrtilni moment, ki ga proizvajajo elektroni, ni nič. Pri teh kovinah so elektroni v 3d orbiti, najbolj zunanji, ki prispevajo k neto magnetnemu trenutku. Zato se takšni materiali štejejo za feromagnetne.

Vendar ta posamezni magnetni moment vsakega atoma ni dovolj za razlago vedenja feromagnetnih materialov.

Znotraj močno magnetnih materialov so področja, imenovana magnetne domene , katerih razširitev se lahko spreminja med 10 ^-4 in 10 ^-1 cm in vsebuje milijarde atomov. V teh regijah se neto vrtilni trenutki sosednjih atomov tesno povežejo.

Ko se material z magnetnimi domenami približa magnetu, se domene poravnajo med seboj, kar poveča magnetni učinek.

Zato, ker imajo domene, podobno kot barski magneti, magnetne drogove, ki jih enako označujemo severno in južno, tako, da se kot drogovi odbijajo, nasprotni polov pa privlačijo.

Ko se domene poravnajo z zunanjim poljem, material oddaja razpokajoče zvoke, ki jih slišimo z ustreznim ojačanjem.

Ta učinek je razviden, ko magnet privlači mehke železne nohte in se ti obnašajo kot magneti, ki privlačijo druge nohte.

Magnetne domene niso statične meje znotraj gradiva. Njegovo velikost lahko spreminjamo s hlajenjem ali segrevanjem materiala in ga tudi izpostavimo delovanju zunanjih magnetnih polj.

Vendar rast domene ni neomejena. V trenutku, ko jih ni več mogoče poravnati, pravijo, da je dosežena točka nasičenosti materiala. Ta učinek se kaže v spodnjih krivuljah histereze.

Segrevanje materiala povzroči izgubo poravnave magnetnih trenutkov. Temperatura, pri kateri se magnetizacija popolnoma izgubi, se razlikuje glede na vrsto materiala, za barski magnet se običajno izgubi pri približno 770 ° C.

Ko odstranimo magnet, se magnetizacija nohtov izgubi zaradi toplotnega vznemirjenja, ki je ves čas prisotno. Obstajajo pa tudi druge spojine, ki imajo trajno namagnetenje, ker imajo spontano poravnane domene.

Magnetne domene lahko opazimo, ko je ravno območje nemagnetiziranega feromagnetnega materiala, kot je mehko železo, zelo dobro razrezano in polirano. Ko je to storjeno, ga potresemo s prahom ali finimi železnimi oblogami.

Pod mikroskopom opazimo, da se sekanci razvrstijo na območja, ki tvorijo minerale, z zelo natančno določeno orientacijo po magnetnih domenah materiala.

Razlika v vedenju med različnimi magnetnimi materiali je posledica načina obnašanja domen v njih.

Magnetna histereza

Magnetna histereza je lastnost, ki jo imajo samo materiali z visoko magnetno prepustnostjo. Ni v paramagnetnih ali diamagnetnih materialih.

Predstavlja vpliv uporabljenega zunanjega magnetnega polja, ki ga označimo kot H, na magnetno indukcijo B feromagnetne kovine med ciklom magnetizacije in demagnetizacije. Prikazani graf imenujemo krivulja histereze.

Cikel feromagnetne histereze

Sprva v točki O ni uporabljenega polja H ali magnetnega odziva B , toda ko se intenzivnost H povečuje , se indukcija B postopno povečuje, dokler v točki A ne doseže magnetne vrednosti nasičenja B _s .

Zdaj se intenzivnost H postopoma zmanjšuje, dokler ne postane 0, s čimer pridemo do točke C, vendar magnetni odziv materiala ne izgine, pri čemer ostane ohranjena magnetizacija, označena z vrednostjo B _r . Pomeni, da postopek ni reverzibilen.

Od tod se intenziteta H poveča, vendar s polariteto obrnjeno (negativni znak), tako da se preostala magnetizacija prekliče v točki D. Potrebno vrednost H označimo kot H _c in se imenuje koercivno polje .

Velikost H narašča, dokler ne doseže vrednosti nasičenosti pri E in takoj se intenziteta H zmanjša, dokler ne doseže 0, vendar ostane točka magnetanizacije s polariteto, nasprotno od prej opisane, v točki F.

Zdaj se polarnost H spet obrne in njegova veličina se poveča, dokler se magnetni odziv materiala v točki G. ne prekliče, po poti GA pa spet postane nasičenost. Zanimivo pa je, da tja niste prišli po prvotni poti, ki jo kažejo rdeče puščice.

Magnetno trdi in mehki materiali: aplikacije

Mehko železo je lažje magnetizirati kot jeklo, tapkanje materiala pa še olajša poravnavo domen.

Kadar je material enostavno magnetizirati in razmaščevati, mu rečemo, da je magnetno mehak , in če se zgodi ravno obratno, je to magnetno trden material . V slednjem so magnetne domene majhne, ​​v prvih pa velike, zato jih je mogoče videti skozi mikroskop, kot je podrobneje opisano zgoraj.

Območje, ki ga obdaja krivulja histereze, je merilo energije, potrebne za magnetiziranje - demagnetiziranje materiala. Slika prikazuje dve krivulji histereze za dva različna materiala. Tisti na levi je magnetno mehak, tisti na desni pa trdi.

Mehek feromagnetni material ima majhno koercivno polje H _c in visoko, ozko krivuljo histereze. To je primeren material, ki ga je treba položiti v jedro električnega transformatorja. Primeri so mehko železo in silicijevo železo ter zlitine železo-niklja, uporabne za komunikacijsko opremo.

Po drugi strani je magnetno trde materiale težko magnetizirati, ko jih magnetiziramo, kot je to primer z alnico zlitinami (aluminij-nikelj-kobalt) in redko zemeljskimi zlitinami, s katerimi so izdelani trajni magneti.

Reference

1. Eisberg, R. 1978. Kvantna fizika. Limusa. 557 -577.
2. Mladi, Hugh. 2016. Univerzitetna fizika Sears-Zemansky s sodobno fiziko. 14. ed. Pearson. 943.
3. Zapata, F. (2003). Študija mineralogij, povezanih z olje Guafita 8x, ki pripada polju Guafita (stanje apure), z uporabo meritev Mossbauerjeve magnetne občutljivosti in spektroskopije. Diplomska naloga. Centralna univerza v Venezueli.