ФЕРОМАГНЕТИЗМ: МАТЕРІАЛИ, ДОДАТКИ ТА ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Феромагнетизму цього властивість , яке дає деяким речовинам інтенсивному і постійний магнітний відгук. У природі є п’ять елементів із цією властивістю: залізо, кобальт, нікель, гадоліній та диспрозіум, останні рідкісні землі.

За наявності зовнішнього магнітного поля, такого, яке виробляється природним магнітом або електромагнітом, речовина реагує характерним чином відповідно до своєї внутрішньої конфігурації. Величина, яка кількісно оцінює цю реакцію, - це магнітна проникність.

Магніти, що утворюють міст. Джерело: Піксабай

Магнітна проникність - це безрозмірна величина, задана коефіцієнтом між інтенсивністю магнітного поля, що утворюється всередині матеріалу, та напруженості магнітного поля, що застосовується зовні.

Коли ця відповідь значно більша за 1, матеріал класифікують як феромагнітний. З іншого боку, якщо проникність не набагато більша за 1, магнітна характеристика вважається слабшою, вони є парамагнітними матеріалами.

У залізі магнітна проникність порядку 10 ⁴ . Це означає, що поле всередині заліза приблизно в 10000 разів більше, ніж поле, яке застосовується зовні. Що дає уявлення про те, наскільки потужним є магнітна реакція цього мінералу.

Як виникає магнітна реакція всередині речовин?

Магнетизм, як відомо, є ефектом, пов'язаним з рухом електричних зарядів. Саме з цього складається електричний струм. Звідки беруться магнітні властивості барного магніту, з якого на холодильнику наклеєна нота?

Матеріал магніту, а також будь-яка інша речовина містить всередині протони та електрони, які мають власний рух і по-різному генерують електричні струми.

Дуже спрощена модель передбачає, що електрон по круговій орбіті навколо ядра складається з протонів і нейтронів, утворюючи, таким чином, крихітну петлю струму. Кожна петля пов'язана з векторною величиною, яка називається "орбітальним магнітним моментом", інтенсивність якої задається добутком струму та площею, визначеною петлею: магнітом Бора.

Звичайно, в цій невеликій петлі струм залежить від заряду електрона. Оскільки всі речовини містять електрони у своєму салоні, то в принципі всі мають можливість вираження магнітних властивостей. Однак не всі вони.

Це тому, що його магнітні моменти не вирівняні, а розташовані випадковим чином всередині, так що його макроскопічні магнітні ефекти скасовуються.

На цьому історія не закінчується. Продукт магнітного моменту руху електрона навколо ядра не є єдиним можливим джерелом магнетизму в цій шкалі.

Електрон має своєрідний обертальний рух навколо своєї осі. Це ефект, що перетворюється на внутрішній імпульс кута. Ця властивість називається спіном електронів.

Природно, він також має пов'язаний з ним магнітний момент і він набагато сильніший за момент орбіти. Насправді найбільший внесок у чистий магнітний момент атома відбувається через спін, однак обидва магнітні моменти: той, що перекладається, плюс внутрішній імпульс кута, сприяють загальному магнітному моменту атома.

Ці магнітні моменти є тими, які мають тенденцію до вирівнювання за наявності зовнішнього магнітного поля. І вони також роблять це з полями, створеними сусідськими моментами в матеріалі.

Зараз, як правило, електрони спарюються в атомах з багатьма електронами. Пари утворюються між електронами з протилежним спіном, в результаті чого спіновий магнітний момент відміняється.

Єдиний спосіб, що спін сприяє загальному магнітному моменту, це якщо один з них не парний, тобто атом має непарну кількість електронів.

А як щодо магнітного моменту протонів у ядрі? Ну, вони також мають момент віджиму, але не вважається, що вони сприяють магнетизму атома. Це відбувається тому, що момент спіна обернено залежить від маси, а маса протона набагато більша, ніж у електрона.

Магнітні області

У залізі, кобальті та нікелі, тріаді елементів з великою магнітною характеристикою, чистий момент спіну, що виробляється електронами, не дорівнює нулю. У цих металах електрони в 3d-орбіталі, найвіддаленіші, які сприяють чистому магнітному моменту. Ось чому такі матеріали вважаються феромагнітними.

Однак цього індивідуального магнітного моменту кожного атома недостатньо для пояснення поведінки феромагнітних матеріалів.

Усередині сильно магнітних матеріалів є області, які називаються магнітними доменами , розширення яких може змінюватися між 10 ^-4 та 10 ^-1 см і містять мільярди атомів. У цих регіонах чисті спінові моменти сусідніх атомів стають щільно сполученими.

Коли матеріал з магнітними доменами наближається до магніту, домени вирівнюються один з одним, посилюючи магнітний ефект.

Це тому, що домени, як барні магніти, мають магнітні полюси, однаково позначені Північ та Південь, такі, що як відштовхуються полюси, а протилежні полюси притягують.

Коли домени вирівнюються із зовнішнім полем, матеріал видає тріскаючі звуки, які можна почути за допомогою відповідного посилення.

Цей ефект можна помітити, коли магніт притягує м'які залізні нігті, а вони, в свою чергу, поводяться як магніти, що притягують інші нігті.

Магнітні домени не є статичними межами, встановленими всередині матеріалу. Його розмір можна змінювати, охолоджуючи або нагріваючи матеріал, а також піддаючи його дії зовнішніх магнітних полів.

Однак зростання домену не є необмеженим. У той момент, коли вже неможливо їх вирівняти, йдеться про досягнення насиченості матеріалу. Цей ефект відбивається на кривих гістерезису внизу.

Нагрівання матеріалу спричиняє втрату вирівнювання магнітних моментів. Температура, при якій намагніченість повністю втрачається, відрізняється залежно від типу матеріалу, для барного магніту він зазвичай втрачається близько 770ºC.

Після видалення магніту намагніченість нігтів втрачається внаслідок теплового збудження, присутнього в усі часи. Але є й інші сполуки, які мають постійну намагніченість, оскільки вони спонтанно вирівнюють домени.

Магнітні домени можна спостерігати, коли плоска площа немагнетизованого феромагнітного матеріалу, наприклад м'якого заліза, дуже добре ріжеться та відшліфується. Як тільки це буде зроблено, його посипають порошком або дрібними залізними начинками.

Під мікроскопом спостерігається, що стружка згрупована на мінералоутворюючих областях з дуже чітко визначеною орієнтацією, слідуючи магнітним областям матеріалу.

Різниця в поведінці між різними магнітними матеріалами пояснюється тим, як домени поводяться всередині них.

Магнітний гістерезис

Магнітний гістерезис - характеристика, якою володіють лише матеріали з високою магнітною проникністю. Він не присутній у парамагнітних або діамагнітних матеріалах.

Він являє собою ефект прикладеного зовнішнього магнітного поля, яке позначено як H, на магнітної індукції B феромагнітного металу під час циклу намагнічування і розмагнічування. Наведений графік називається кривою гістерезису.

Феромагнітний цикл гістерезису

Спочатку в точці O не застосовується поле H або магнітна відповідь B , але в міру збільшення інтенсивності H індукція B зростає поступово до досягнення величини насичення B _s в точці A, що очікується.

Тепер інтенсивність Н прогресивно зменшується, поки не стане 0, при цьому ми досягнемо точки С, однак магнітна реакція матеріалу не зникає, зберігаючи залишкове намагніченість, вказане значенням B _r . Це означає, що процес не є оборотним.

Звідси інтенсивність Н збільшується, але з поворотною полярністю (від'ємний знак), так що залишкове намагнічування скасовується в точці D. Необхідне значення Н позначається як Н _с і називається полем примусу .

Величина Н зростає, поки вона знову не досягне значення насичення при Е і негайно інтенсивність Н зменшується, поки не досягне 0, але залишається залишкове намагнічування з полярністю, протилежною раніше описаній, у точці F.

Тепер полярність Н знову повертається, і її величина збільшується до тих пір, поки магнітна реакція матеріалу в точці G. не скасовується. По шляху GA його насичення знову отримується. Але найцікавіше - ви не потрапили туди оригінальним шляхом, позначеним червоними стрілками.

Магнітно тверді та м'які матеріали: додатки

М’яке залізо легше намагнічувати, ніж сталь, а натискання на матеріал додатково полегшує вирівнювання областей.

Коли матеріал легко намагнічувати і розмагнічувати, кажуть, що він магнетично м'який , і, звичайно, якщо відбувається протилежне, це магнітно твердий матеріал . В останніх магнітні домени невеликі, тоді як в перших вони великі, тому їх можна побачити через мікроскоп, як детально описано вище.

Площа, закрита кривою гістерезису, є мірою енергії, необхідної для намагнічування - розмагнічування матеріалу. На малюнку зображені дві криві гістерезису для двох різних матеріалів. Той, що ліворуч, магнітно м'який, а праворуч жорсткий.

М’який феромагнітний матеріал має невелике коерцитивне поле H _c та високу, вузьку криву гістерезису. Це відповідний матеріал, який потрібно помістити в серцевину електричного трансформатора. Прикладами їх є м'яке залізо і кремній-залізо та залізо-нікелеві сплави, корисні для засобів зв'язку.

З іншого боку, магнітно тверді матеріали важко демагнітизувати колись намагніченими, як це відбувається з сплавами альніко (алюміній-нікель-кобальт) та рідкоземельними сплавами, з яких виготовляються постійні магніти.

Список літератури

1. Айсберг, Р. 1978. Квантова фізика. Лімуса. 557 -577.
2. Молодий, Х'ю. 2016. Університетська фізика Сірса-Земанського із сучасною фізикою. 14-е видання Пірсона. 943.
3. Сапата, Ф. (2003). Вивчення мінералогій, пов'язаних з нафтовою свердловиною Guafita 8x, що належить до родовища Гуафіта (стан Апуре), використовуючи вимірювання магнітної чутливості та спектроскопії Моссбауера. Дисертація Центральний університет Венесуели.