Ferromagnetismmaterialer, applikasjoner og eksempler

Han Ferromagnetisme Det er eiendommen som gir noen stoffer en intens og permanent magnetisk respons. I naturen er det fem elementer med denne eiendommen: jern, kobolt, nikkel, gadolinio og disposio, de sistnevnte sjeldne jordene.

I nærvær av et eksternt magnetfelt, slik som produsert av en naturlig magnet eller et elektromagnet, reagerer et stoff på en karakteristisk måte, i henhold til dens interne konfigurasjon. Størrelsen som kvantifiserer denne responsen er magnetisk permeabilitet.

Magneter som danner en bro. Kilde: Pixabay

Magnetisk permeabilitet er en dimensjonsløs mengde gitt av kvotienten mellom intensiteten til magnetfeltet som genereres inne i materialet og det for det eksternt påførte magnetfeltet.

Når dette svaret er mye større enn 1, er materialet klassifisert som ferromagnetisk. På den annen side, hvis permeabiliteten ikke er mye større enn 1, anses det at den magnetiske responsen er svakere, de er paramagnetiske materialer.

I jern er magnetisk permeabilitet i størrelsesorden 10⁴. Dette betyr at feltet inne i jernet er omtrent 10000 ganger større enn feltet som gjelder eksternt. Som gir en ide om hvor kraftig magnetisk respons fra dette mineralet er.

[TOC]

Hvordan stammer den magnetiske responsen i stoffene?

Magnetisme er kjent er en effekt forbundet med bevegelse av elektriske ladninger. Det er nettopp den elektriske strømmen. Hvor kommer de magnetiske egenskapene til stangmagneten fra da en lapp er blitt truffet i kjøleskapet?

Magnetens materiale, og også alle andre stoffer inneholder protoner og elektroner inne, som har sin egen bevegelse og genererer elektriske strømmer på flere måter.

En veldig forenklet modell antar at elektronet i sirkulær bane rundt kjernen dannet av protoner og nøytroner, og danner dermed en liten spase med strøm av strøm. Hver spase har assosiert en vektorstørrelse kalt "orbital magnetisk øyeblikk", hvis intensitet er gitt av produktet av strømmen og området bestemt av løkken: Bohr -magneton.

I denne lille biten avhenger selvfølgelig strømmen av elektronbelastningen. Siden alle stoffer inneholder elektroner inne, har de alle muligheten til å uttrykke magnetiske egenskaper. Imidlertid gjør ikke alle av dem.

Dette er fordi deres magnetiske momenter ikke er justert, men ordnet inni tilfeldig, slik at deres magnetiske effekter på makroskopisk nivå blir kansellert.

Historien slutter ikke her. Magnetisk momentprodukt av elektronbevegelsen rundt kjernen er ikke den eneste mulige kilden til magnetisme i denne skalaen.

Kan tjene deg: Astrofysikk: Objekt av studier, historie, teorier, grener

Elektronet har en slags rotasjonsbevegelse rundt sin akse. Det er en effekt som oversettes til et iboende vinkelmomentum. Denne egenskapen kalles snurre rundt av elektronet.

Naturligvis har det også et tilknyttet magnetisk øyeblikk og er mye mer intens enn orbitalmomentet. Faktisk er det største bidraget til atomets nettmagnetiske øyeblikk gjennom spinnet, til tross for begge magnetiske øyeblikk: det av oversettelsen pluss det iboende vinkelmomentet, bidrar til det totale magnetiske momentet til atomet.

Disse magnetiske øyeblikkene er de som har en tendens til å samkjøre i nærvær av et eksternt magnetfelt. Og de gjør dem også med feltene som er opprettet av nærliggende øyeblikk i materialet.

Nå danner elektroner vanligvis par i atomer med mange elektroner. Par dannes mellom elektroner med motsatt spinn, noe som resulterer i spinnens magnetiske øyeblikk.

Den eneste måten spinnet bidrar til det totale magnetiske øyeblikket er at noen blir forsvunnet, det vil si at atomet har et oddetall elektroner.

Det er verdt å spørre hva det er om det magnetiske øyeblikket av protonene i kjernen. Fordi de også har en spinnetid, men det anses ikke å bidra betydelig til magnetismen til et atom. Det er fordi spinnemomentet avhenger omvendt av masse og mass av protonet er mye større enn elektronet.

Magnetiske domener

I jern, kobolt og nikkel, triaden av elementer med stor magnetisk respons, er nettmomentet av spinn produsert av elektroner ikke null ... I disse metallene bidrar elektronene i 3D -orbitalen, det ytterste bidrar til nettet magnetisk øyeblikk. Det er grunnen til at slike materialer anses som ferromagnetisk.

Imidlertid er dette individuelle magnetiske momentet til hvert atom ikke nok til å forklare oppførselen til ferromagnetiske materialer.

Inne i sterkt magnetiske materialer er det regioner som heter Magnetiske domener, hvis utvidelse kan variere fra 10^-4 og 10^-1 CM og som inneholder milliarder av atomer. I disse regionene klarer nettet spinnøye øyeblikk av nabo atomer.

Når et magnetomenebesitter nærmer seg en magnet, samsvarer domenene med hverandre, og intensiverer den magnetiske effekten.

Det skyldes det faktum at domenene, som stangmagneter, har magnetiske stolper, like betegnet som nord og sør, slik at de like polene frastøter og motsetninger tiltrekker seg.

Det kan tjene deg: lydforplantning

Når domenene stemmer overens med det ytre feltet, avgir materialet knirker som kan høres ved passende forsterkning.

Denne effekten kan sees når en magnet tiltrekker seg søte jernnegler, og disse oppfører seg igjen som magneter som tiltrekker andre negler.

Magnetiske domener er ikke statiske grenser som er etablert innenfor materialet. Størrelsen kan modifiseres ved å avkjøle eller varme opp materialet, og også utsette det for virkningen av ytre magnetfelt.

Imidlertid er domenevekst ikke ubegrenset. På det tidspunktet det ikke lenger er mulig å samkjøre dem, sies det at det materielle metningspunktet er nådd. Denne effekten gjenspeiles i hysteresekurvene som vises senere.

Oppvarming av materialet forårsaker tap av innretting av magnetiske momenter. Temperaturen som magnetiseringen går helt tapt i henhold til typen materiale, for en barmagnet, omtrent 770 ºC går vanligvis tapt.

Når magneten er fjernet, går magnetiseringen av neglene tapt på grunn av den termiske omrøringen som er til stede til enhver tid. Men det er andre forbindelser som har permanent magnetisering, for å ha spontant justerte domener.

Magnetiske domener kan observeres når et flatt ferromagnetisk materiale kuttes og poleres veldig godt. Når dette er strødd med støv eller fine jernfiler.

Under mikroskopet observeres det at brikkene er gruppert på mineralformingsregionene med en veldig godt definert orientering, etter materialets magnetiske domener.

Atferdsforskjellen mellom forskjellige magnetiske materialer skyldes måten domener oppføres.

Magnetisk hysterese

Magnetisk hysterese er et kjennetegn som bare materialer med høy magnetisk permeabilitet har. Ikke presenter paramagnetiske eller diamagnetiske materialer.

Representerer effekten av et anvendt eksternt magnetfelt, som er betegnet som H Om magnetisk induksjon B av et ferromagnetisk metall under en syklus av imanasjon og desimanering. Grafen som vises har navnet på hysteresekurve.

Ferromagnetisk hysteresyklus

Opprinnelig på punktet eller det er ikke noe anvendt felt H Ingen magnetisk respons B, men som intensiteten av H, Induksjon B øker gradvis til den når metningens størrelse B_s På punkt A, som forventes.

Nå intensiteten til H Inntil det er gjort, med at det nås til punkt C, forsvinner ikke den magnetiske responsen til materialet, og beholder en gjenværende magnetisering indikert med verdi B_r. Betyr at prosessen ikke er reversibel.

Kan tjene deg: elektrodynamikk

Derfra intensiteten til H Øk men med omvendt polaritet (negativt tegn), slik at den gjenværende magnetiseringen blir annullert på punkt D. Den nødvendige verdien av H Det er betegnet som H_c og motta navnet på tvangsfelt.

Størrelsen på H øker til metningsverdien i E og umiddelbart intensiteten til H Den avtar til den når 0, men det er en gjenværende magnetisering med polaritet motsatt av den beskrevet ovenfor, på punkt F.

Nå polariteten til H Igjen og størrelsesorden økes for å avbryte den magnetiske responsen til materialet på punkt G. Etter veien blir metningen igjen. Men det interessante er at den ikke kom dit på den opprinnelige veien som ble indikert av de røde pilene.

Magnetisk harde og myke materialer: applikasjoner

Søtt jern er lettere å magnetisere enn stål og trykke på materialet, justeringen av domenene blir ytterligere tilrettelagt.

Når et materiale er lett å magnetisere og brette det, sies det at det er Magnetisk myk, Og selvfølgelig hvis det motsatte skjer er et materiale Magnetisk hardt. I sistnevnte er magnetiske domener små, mens de i førstnevnte er store, slik at de kan sees gjennom mikroskopet, som beskrevet ovenfor.

Området som er omsluttet av hysteresekurven er et mål på energien som er nødvendig for å magnetisere - brett materialet. I figur to hysteresekurver blir verdsatt for to forskjellige materialer. Den til venstre er magnetisk myk, mens den til høyre er vanskelig.

Et mykt ferromagnetisk materiale har et tvangsfelt H_c liten og en smal og høy hysteresekurve. Det er et passende materiale å plassere det i kjernen til en elektrisk transformator. Eksempel på dem er søtt jern og silisium og jern-nikkellegeringer, nyttig for kommunikasjonsutstyr.

På den annen side er magnetisk harde materialer vanskelige å avvise en gang forestilt seg, som med Alnico-legeringene (aluminium-nikkel-colto) og sjeldne jordlegeringer som permanente magneter produseres.

Referanser

1. Eisberg, r. 1978.  Kvantefysikk.  Limusa. 557 -577.
2. Young, Hugh. 2016. Sears-Zanskys universitetsfysikk med moderne fysikk. 14. utg. Pearson. 943.
3. Zapata, f. (2003). Studie av mineralogier assosiert med Guafita 8X oljebrønn som tilhører Guafita Campo (Apure State) gjennom målinger av magnetisk følsomhet og Mossbauer. Grad avhandling. Central University of Venezuela.