ФЕРОМАГНЕТИЗАМ: МАТЕРИЈАЛИ, ПРИМЕНЕ И ПРИМЕРИ - ФИЗИЧКИ - 2025

Ферромагнетизм је имовина која даје неке супстанце интензивну и трајну магнетну одговор. У природи постоји пет елемената са тим својством: гвожђе, кобалт, никал, гадолинијум и диспрозијум, последња ретка земља.

У присуству спољног магнетног поља, попут онога које производи природни магнет или електромагнет, супстанца реагује на карактеристичан начин, према својој унутрашњој конфигурацији. Јачина која квантификује овај одговор је магнетна пропустљивост.

Магнети који формирају мост. Извор: Пикабаи

Магнетна пропустљивост је бездимензионална количина дата квоцијентом између интензитета магнетног поља генерисаног унутар материјала и интензитета магнетног поља споља.

Када је овај одговор много већи од 1, материјал се класификује као феромагнетни. С друге стране, ако пропусност није много већа од 1, магнетни одзив се сматра слабијим, то су парамагнетни материјали.

Код гвожђа магнетна пропустљивост је реда 10 ⁴ . То значи да је поље унутар гвожђа отприлике 10.000 пута веће од поља које се примењује споља. Што даје представу колико је снажан магнетни одзив овог минерала.

Како магнетни одговор потиче из супстанци?

Магнетизам је познат као ефекат повезан са кретањем електричних набоја. Управо то је електрична струја. Одакле долазе магнетна својства магнетне траке са којих је на хладњаку залепљена нота?

Материјал магнета, као и било која друга супстанца, садрже унутар протона и електрона, који се покрећу и стварају електричне струје на различите начине.

Врло поједностављени модел претпоставља да је електрон у кружној орбити око језгра састављен од протона и неутрона, формирајући тако малену петљу струје. Свака петља повезана је с векторном велицином која се зове "орбитални магнетни момент", чији интензитет је дат производом струје и површином која је одређена петљом: Боров магнетон.

Наравно, у овој малој петљи струја зависи од наелектрисања електрона. Пошто све материје садрже електроне у својој унутрашњости, све имају у принципу могућност испољавања магнетних својстава. Међутим, не раде сви.

То је зато што њени магнетни моменти нису усклађени, већ су насумично распоређени унутра, на начин да се њени макроскопски магнетни ефекти поништавају.

Овде се прича не завршава. Производ магнетног момента кретања електрона око језгра није једини могући извор магнетизма на овој скали.

Електрони имају неку врсту ротационог кретања око своје осе. То је ефекат који се преводи у својствени момент угла. Ово својство се назива спиновање електрона.

Природно, такође има придружени магнетни тренутак и много је јачи од орбиталног. У ствари, највећи допринос нето магнетном моменту атома је кроз завртање, али оба магнетна момента: превођење плус онај интринзичног угаоног момента доприносе укупном магнетном моменту атома.

Ови магнетни моменти су они који имају тенденцију да се поравнају у присуству спољног магнетног поља. А то раде и са пољима која су створили суседни тренуци у материјалу.

Сада се електрони обично упарују у атомима са много електрона. Парови се формирају између електрона са супротним спином, што резултира отпуштањем магнетног момента спина.

Једини начин на који спин доприноси укупном магнетном тренутку је ако један од њих није упарен, то јест, атом има непаран број електрона.

Шта је са магнетним моментом протона у језгру? Па, и они имају момент окретања, али се не сматра да значајно доприноси магнетизму атома. То је зато што је момент центрифуге обрнуто зависан од масе, а маса протона је много већа од масе електрона.

Магнетне домене

У гвожђу, кобалту и никлу, триади елемената са великим магнетним одзивом, нето центрифугални момент који стварају електрони није нула. У тим металима, електрони у 3д орбитали, најудаљенији. који доприносе нето магнетном моменту. Зато се такви материјали сматрају феромагнетским.

Међутим, овај појединачни магнетни тренутак сваког атома није довољан да објасни понашање феромагнетских материјала.

Унутар снажно магнетних материјала налазе се области назване магнетне домене , чије ширење може варирати између 10 ^-4 и 10 ^-1 цм и које садрже милијарде атома. У овим регионима, нето тренуци спина сусједних атома постају чврсто повезани.

Када се материјал са магнетним доменима приближи магнету, домени се поравнавају један са другим, појачавајући магнетни ефекат.

То је због тога што домене, попут барских магнета, имају магнетне полове, подједнако означене са севера и југа, тако да попут ступова који се одбијају, а супротни полови привлаче.

Како се домени поравнавају са спољним пољем, материјал емитује пукотине које се могу чути одговарајућим појачањем.

Овај ефекат се види када магнет привлачи меке гвожђе нокте и они се заузврат понашају попут магнета који привлаче друге нокте.

Магнетне домене нису статичке границе утврђене унутар материјала. Његова величина се може мењати хлађењем или загревањем материјала, а такође је подложна деловању спољних магнетних поља.

Међутим, раст домена није неограничен. У тренутку када их више није могуће поравнати, каже се да је достигнута тачка засићености материјала. Овај ефекат се огледа у доњим кривуљама хистерезе.

Загревање материјала изазива губитак поравнања магнетних момената. Температура на којој се магнетизација потпуно губи разликује се у зависности од врсте материјала, за бар-магнет се обично губи на око 770ºЦ.

Једном када се магнет уклони, магнетизација ноктију се губи услед термичке мешања која је присутна у сваком тренутку. Али постоје и друга једињења која имају трајну магнетизацију, јер су спонтано поравнала домене.

Магнетне домене могу се приметити када је равна површина немагнетизираног феромагнетског материјала, попут меког гвожђа, врло добро изрезана и полирана. Кад се то постигне, посипава се прахом или финим гвоздним облогама.

Под микроскопом се примећује да се ивер групише на облицима формирања минерала врло прецизно дефинисане оријентације, пратећи магнетне домене материјала.

Разлика у понашању између различитих магнетних материјала настаје због начина на који се домени понашају у њима.

Магнетна хистереза

Магнетна хистереза ​​је карактеристика коју поседују само материјали високе магнетне пропустљивости. Не постоји у парамагнетним или дијамагнетним материјалима.

Представља ефекат примењеног спољног магнетног поља, које је означено као Х, на магнетну индукцију Б феромагнетског метала током циклуса магнетизације и демагнетизације. Приказани граф назива се кривуља хистерезе.

Циклус феромагнетске хистерезе

У почетку у тачки О не постоји примењено поље Х или магнетни одговор Б , али како интензитет Х расте , индукција Б расте прогресивно све док не достигне магнитуду засићења Б _с тачке А, што се и очекује.

Сада се интензитет Х прогресивно смањује све док не постане 0, с тим што достижемо тачку Ц, међутим магнетни одзив материјала не нестаје задржавајући преосталу магнетизацију означену вредности Б _р . То значи да процес није реверзибилан.

Одатле се интензитет Х повећава, али са обрнутим поларитетом (негативни знак), тако да се преостала магнетизација отказује у тачки Д. Потребна вредност Х означава се као Х _ц и назива се поље присиле .

Јачина Х расте све док поново не достигне вредност засићења на Е, а интензитет Х се смањује све док не достигне 0, али остаје тачка магнетизирања са поларитетом супротним раније описаном, у тачки Ф.

Сада се поларитет Х поново обрће и његова јачина се повећава све док се магнетни одговор материјала у тачки Г не поништи. Након пута ГА поново се добија његово засићење. Али занимљиво је да тамо нисте стигли оригиналном стазом назначеном црвеним стрелицама.

Магнетички тврди и меки материјали: апликације

Меко гвожђе је лакше магнетизирати него челик, а додиривањем материјала олакшава се поравнање домена.

Када је материјал лако магнетизовати и демагнетизирати, каже се да је магнетско мекан , а ако се деси супротно, то је магнетно тврд материјал . У другом су магнетни домени мали, док су у првом велики, па се могу видети кроз микроскоп, као што је детаљно описано горе.

Површина затворена кривом хистерезе представља мерило енергије потребне за магнетизирање - демагнетизирање материјала. На слици су приказане две хистерезе кривуље за два различита материјала. Онај са леве стране је магнетно мекан, док је онај са десне стране чврст.

Мека феромагнетски материјал има малу принуде поља Х _ц и висок, узан хистерезис крива. То је погодан материјал за постављање у језгро електричног трансформатора. Примери су мекане гвожђе и легуре гвожђа и силицијума, корисне за комуникацијску опрему.

Са друге стране, магнетно тврде материјале је тешко денегнетисати једном магнетизовано, као што је случај са легама алницо (алуминијум-никал-кобалт) и ретко земљаним легурама са којима се праве трајни магнети.

Референце

1. Еисберг, Р. 1978. Квантна физика. Лимуса. 557 -577.
2. Млади, Хју. 2016. Универзитетска физика Сеарс-Земански са модерном физиком. 14. Ед Пеарсон. 943.
3. Запата, Ф. (2003). Проучавање минералогија повезаних са нафтом бунара Гуафита 8к који припада пољу Гуафита (стање Апуре) помоћу Моссбауерове магнетне осјетљивости и спектроскопске мере. Дипломски рад. Централни универзитет у Венецуели.