FERROMAGNETISME: MATERIALER, APPLIKATIONER OG EKSEMPLER - FYSISK - 2025

Den ferromagnetism er den egenskab, der giver nogle stoffer intens og permanent magnetisk respons. I naturen er der fem elementer med denne egenskab: jern, kobolt, nikkel, gadolinium og dysprosium, sidstnævnte sjældne jordarter.

I nærvær af et eksternt magnetfelt, såsom det, der produceres af en naturlig magnet eller en elektromagnet, reagerer et stof på en karakteristisk måde i henhold til dets interne konfiguration. Størrelsen, der kvantificerer dette svar, er den magnetiske permeabilitet.

Magneter, der danner en bro. Kilde: Pixabay

Magnetisk permeabilitet er en dimensionløs mængde, der er givet af kvotienten mellem intensiteten af ​​det magnetiske felt, der genereres inde i materialet, og det af det magnetiske felt, der påføres eksternt.

Når dette svar er meget større end 1, klassificeres materialet som ferromagnetisk. På den anden side, hvis permeabiliteten ikke er meget større end 1, betragtes den magnetiske respons som svagere, de er paramagnetiske materialer.

I jern er den magnetiske permeabilitet af størrelsesordenen 10 ⁴. Dette betyder, at marken inde i jernet er ca. 10.000 gange større end det felt, der påføres eksternt. Hvilket giver en idé om, hvor kraftfuld den magnetiske reaktion fra dette mineral er.

Hvordan stammer den magnetiske respons inde i stoffer?

Magnetisme er kendt for at være en effekt forbundet med bevægelse af elektriske ladninger. Det er præcis, hvad den elektriske strøm består af. Hvor kommer de magnetiske egenskaber for stangmagneten, som en note har sat fast i køleskabet fra?

Magnetmaterialet, og også ethvert andet stof, indeholder protoner og elektroner inde, som har deres egen bevægelse og genererer elektriske strømme på forskellige måder.

En meget forenklet model antager elektronet i en cirkulær bane rundt om kernen, der består af protoner og neutroner, og således danner en lille strømstrøm. Hver sløjfe er forbundet med en vektorstørrelse kaldet "orbital magnetisk moment", hvis intensitet er angivet af produktet af strømmen og det område, der bestemmes af loopen: Bohr-magneton.

I denne lille sløjfe afhænger naturligvis strømmen af ​​opladningen af ​​elektronet. Da alle stoffer indeholder elektroner i deres indre, har alle i princippet muligheden for at udtrykke magnetiske egenskaber. Imidlertid gør ikke alle af dem det.

Dette skyldes, at dens magnetiske øjeblikke ikke er på linje, men tilfældigt arrangeret indeni, således at dens makroskopiske magnetiske effekter afbryder.

Historien slutter ikke her. Det magnetiske momentprodukt af elektronbevægelsen omkring kernen er ikke den eneste mulige kilde til magnetisme på denne skala.

Elektronen har en slags roterende bevægelse omkring sin akse. Det er en virkning, der oversættes til en iboende vinkelmoment. Denne egenskab kaldes elektron spin-.

Naturligvis har den også et tilknyttet magnetisk øjeblik, og det er meget stærkere end omløbsmomentet. Faktisk er det største bidrag til atomets nettomagnetiske øjeblik gennem spin, dog begge magnetiske øjeblikke: oversættelsens plus det i det indre vinkelmoment, bidrager til atomets totale magnetiske moment.

Disse magnetiske øjeblikke er dem, der har tendens til at justere i nærværelse af et eksternt magnetfelt. Og de gør det også med de felter, der er skabt af nabomomenter i materialet.

Nu kobles elektroner normalt sammen i atomer med mange elektroner. Par dannes mellem elektroner med modsat drejning, hvilket resulterer i, at det magnetiske spin-øjeblik ophører.

Den eneste måde, hvorpå spin drejer sig til det totale magnetiske øjeblik, er, hvis man ikke er parret, dvs. atomet har et ulige antal elektroner.

Hvad med det magnetiske moment for protoner i kernen? De har også spin-øjeblik, men det anses ikke for at bidrage væsentligt til magnetismen i et atom. Dette skyldes, at spin-øjeblikket er omvendt afhængig af masse, og massen af ​​proton er meget større end elektronens.

De magnetiske domæner

I jern, kobolt og nikkel, triaden af ​​elementer med stor magnetisk respons, netto-spin-øjeblikket produceret af elektronerne er ikke nul. I disse metaller er elektronerne i den 3d-orbital, de yderste, de der bidrager til nettomagnetisk øjeblik. Derfor betragtes sådanne materialer som ferromagnetiske.

Imidlertid er dette individuelle magnetiske moment for hvert atom ikke nok til at forklare opførslen af ​​ferromagnetiske materialer.

Inde i stærkt magnetiske materialer er der regioner, der kaldes magnetiske domæner, hvis forlængelse kan variere mellem ^10-4 og ^10-1 cm, og som indeholder milliarder atomer. I disse regioner kobles nettoomspændingsmomenterne til nabolande atomer tæt sammen.

Når et materiale, der har magnetiske domæner nærmer sig en magnet, justeres domænerne med hinanden, hvilket forstærker den magnetiske effekt.

Det er fordi domæner, ligesom stangmagneter, har magnetiske poler, der lige er betegnet nord og syd, således at lignende poler frastøder og modsatte poler tiltrækker.

Når domænerne er på linje med det eksterne felt, udsender materialet krakningslyde, der kan høres ved passende forstærkning.

Denne effekt kan ses, når en magnet tiltrækker de bløde jernspikere, og disse opfører sig igen som magneter, der tiltrækker andre negle.

Magnetiske domæner er ikke statiske grænser etableret i materialet. Dens størrelse kan ændres ved at afkøle eller opvarme materialet og også udsætte det for virkningen af ​​eksterne magnetfelter.

Imidlertid er væksten af ​​domænet ikke ubegrænset. På det tidspunkt, hvor det ikke længere er muligt at justere dem, siges det, at materialets mætningspunkt er nået. Denne effekt afspejles i hysteresekurverne nedenfor.

Opvarmning af materialet forårsager tab af justering af magnetiske øjeblikke. Temperaturen, ved hvilken magnetiseringen går helt tabt, afhænger af materialetypen, for en stangmagnet går den normalt tabt ved ca. 770ºC.

Når magneten er fjernet, går magnetiseringen af ​​neglene tabt på grund af den til enhver tid tilstedeværende termiske omrøring. Men der er andre forbindelser, der har permanent magnetisering, fordi de spontant har justeret domæner.

Magnetiske domæner kan observeres, når et fladt område af ikke-magnetiseret ferromagnetisk materiale, såsom blødt jern, er meget godt skåret og poleret. Når dette er gjort, drysses det med pulver eller fine jernfilinger.

Under mikroskopet observeres det, at chipsene er grupperet på de mineraldannende regioner med en meget veldefineret orientering efter materialets magnetiske domæner.

Forskellen i adfærd mellem forskellige magnetiske materialer skyldes den måde domænerne opfører sig inden for dem.

Magnetisk hysterese

Magnetisk hysterese er en egenskab, som kun materialer med høj magnetisk permeabilitet har. Det findes ikke i paramagnetiske eller diamagnetiske materialer.

Det repræsenterer virkningen af ​​et påført eksternt magnetfelt, der betegnes som H, på magnetisk induktion B af et ferromagnetisk metal under en cyklus med magnetisering og demagnetisering. Den viste graf kaldes en hysteresekurve.

Ferromagnetisk hysteresecyklus

Indledningsvis ved punkt O er der ingen påførte felt H eller magnetisk respons B, men som intensiteten af H stiger, de induktion B stiger progressivt, indtil den når mætningsstørrelsen B _s ved punkt A, som forventes.

Nu mindskes intensiteten af H gradvist, indtil den bliver 0, hvorved vi når punkt C, men den magnetiske reaktion af materialet forsvinder ikke, idet der bevares en restmagnetisering angivet med værdien B _r. Det betyder, at processen ikke er reversibel.

Derfra intensiteten af H stiger men med polariteten vendes (negativt fortegn), således at den remanente magnetisering er annulleret på punktet D. Den nødvendige værdi af H benævnes H _c og kaldes koercitivfeltet.

Størrelsen af H øges, indtil den når mætningsværdien ved E igen, og øjeblikkeligt falder intensiteten af H, indtil den når 0, men der er stadig en restmagnetisering med polaritet modsat den, der tidligere er beskrevet, på punkt F.

Nu vendes H 's polaritet igen, og dens størrelse øges, indtil materialets magnetiske respons ved punkt G er annulleret. Efter stien GA opnås dens mætning. Men det interessante er, at du ikke kom dertil ved den oprindelige sti angivet med de røde pile.

Magnetisk hårde og bløde materialer: applikationer

Blødt jern er lettere at magnetisere end stål, og at tappe materialet gør det lettere at justere domænerne.

Når et materiale er let at magnetisere og afmagnetisere siges det at være magnetisk blødt, og selvfølgelig, hvis det modsatte sker, er det et magnetisk hårdt materiale. I sidstnævnte er de magnetiske domæner små, mens de i de førstnævnte er store, så de kan ses gennem mikroskopet, som beskrevet ovenfor.

Området omgivet af hysteresekurven er et mål for den energi, der kræves for at magnetisere - afmagnetisere materialet. Figuren viser to hysteresekurver for to forskellige materialer. Den til venstre er magnetisk blød, mens den til højre er hård.

En blød ferromagnetisk materiale har en lille koercitivfeltet H _c og en høj, smal hysteresekurve. Det er et passende materiale, der skal placeres i kernen i en elektrisk transformer. Eksempler på dem er blødt jern og silicium-jern og jern-nikkel-legeringer, der er nyttige til kommunikationsudstyr.

På den anden side er magnetiske hårde materialer vanskelige at de-magnetisere, når de først er magnetiseret, ligesom tilfældet er med alnico-legeringer (aluminium-nikkel-kobolt) og sjældne jordlegeringer, som man fremstiller permanente magneter med.

Referencer

1. Eisberg, R. 1978. Kvantefysik. Limusa. 557 -577.
2. Ung, Hugh. 2016. Sears-Zemanskys universitetsfysik med moderne fysik. 14. ed. Pearson. 943.
3. Zapata, F. (2003). Undersøgelse af mineralogier forbundet med Guafita 8x oliebrønde, der hører til Guafita-feltet (Apure State) ved anvendelse af Mossbauer magnetisk følsomheds- og spektroskopimålinger. Grad afhandling. Det centrale universitet i Venezuela.