Феромагнетизъм: феромагнитни материали, приложения и примери

Феромагнетизмът е свойството, което дава на някои вещества интензивна и постоянна магнитна реакция. В природата има пет елемента с това свойство: желязо, кобалт, никел, гадолиний и диспрозий, тези последни редкоземни елементи.

В присъствието на външно магнитно поле, такова като произведено от естествен магнит или електромагнит, веществото реагира по характерен начин, според вътрешната си конфигурация. Величината, която определя тази реакция, е магнитна проницаемост.

Магнитната пропускливост е безразмерно количество, дадено от частното между интензитета на магнитното поле, генерирано вътре в материала, и това на външно приложеното магнитно поле.

Когато този отговор е много по-голям от 1, материалът се каталогизира като феромагнитна. Въпреки това, ако пропускливостта не е много по-голяма от 1, магнитният отговор се счита за по-слаб, парамагнитни материали.

В желязото магнитната пропускливост е от порядъка на 104. Това означава, че полето вътре в желязото е около 10 000 пъти по-голямо от полето, което се прилага външно. Което дава представа колко мощна е магнитната реакция на този минерал.

Как възниква магнитната реакция вътре в веществата?

Известно е, че магнетизмът е ефект, свързан с движението на електрическите заряди. Точно от това се състои електрическият ток. Къде тогава идват магнитните свойства на лентовия магнит, с който бе залепена бележка в хладилника?

Материалът на магнита, както и всяко друго вещество съдържа вътре в протоните и електроните, които имат свое собствено движение и генерират електрически токове по различни начини.

Много опростен модел приема електрона в кръгова орбита около ядрото, образуван от протони и неутрони, като по този начин образува малка токова верига. Всяка спирала е свързана с векторна величина, наречена "орбитален магнитен момент", чиято интензивност се дава от произведението на тока и площта, определена от контура: магнетона на Бора.

Разбира се, в тази малка верига токът зависи от заряда на електрона. Тъй като всички вещества съдържат електрони във вътрешността си, всички те по принцип имат възможност за изразяване на магнитни свойства. Но не всички го правят.

Това е така, защото магнитните им моменти не са подравнени, а са подредени в интериора по случаен начин, така че магнитните им ефекти на макроскопско ниво да бъдат отменени.

Историята не свършва дотук. Магнитният момент, създаден от движението на електрона около ядрото, не е единственият възможен източник на магнетизъм в този мащаб.

Електронът има своеобразно въртеливо движение около своята ос. Това е ефект, който води до вътрешен ъглов импулс. Това свойство се нарича спин на електрона.

Естествено, той също има свързан магнитен момент и е много по-интензивен от орбиталния момент. Всъщност, най-големият принос към нетния магнитен момент на атома е чрез спина, въпреки че и двата магнитни момента: този на транслацията плюс вътрешния ъглов момент, допринасят за общия магнитен момент на атома.

Тези магнитни моменти са тези, които са склонни да се изравнят в присъствието на външно магнитно поле. И те също ги правят с полетата, създадени от съседните моменти в материала.

Сега, електроните обикновено образуват двойки в атоми с много електрони. Двойките се формират между електрони с противоположно въртене, което води до спиране на магнитния момент на спина.

Единственият начин, по който спинът допринася за общия магнитен момент, е, че някои остават несдвоени, т.е. атомът има нечетен брой електрони.

Човек се чуди какво има в магнитния момент на протоните в ядрото. Е, те също имат момент на спина, но не се смята, че допринася значително за магнетизма на атома. Това е така, защото моментът на спина зависи обратно на масата, а масата на протона е много по-голяма от тази на електрона.

Магнитните домени

В желязото, кобалта и никела, тройката на елементите с голяма магнитна реакция, нетният момент на спина, произведен от електрони, не е нулев. В тези метали, електроните в 3d орбитата, най-външната, са които допринасят за нетния магнитен момент. Ето защо тези материали се считат за феромагнитни.

Все пак, този индивидуален магнитен момент на всеки атом не е достатъчен, за да обясни поведението на феромагнитните материали.

Вътре в силно магнитните материали има области, наречени магнитни домени, чието разширение може да варира между 10-4 и 10-1 cm и които съдържат милиарди атоми. В тези региони мрежата от спинови моменти от съседни атоми постига силно свързване.

Когато материал, притежаващ магнитни домени, се приближи до магнит, домейните се подравняват помежду си, усилвайки магнитния ефект.

Това е така, защото домейните, подобно на лентовите магнити, имат магнитни полюси, еднакво обозначени като Север и Юг, така че равните полюси се отблъскват и противоположностите се привличат.

Докато домените се подравняват с външното поле, материалът излъчва хрустести, които могат да бъдат чути чрез подходящо усилване.

Този ефект може да се види, когато магнитът привлича ноктите на сладкото желязо и те на свой ред се държат като магнити, привличащи други нокти.

Магнитните домени не са статични граници, установени в материала. Нейният размер може да бъде модифициран чрез охлаждане или нагряване на материала, както и подлагане на въздействието на външни магнитни полета.

Въпреки това, растежът на домейна не е неограничен. В момента, в който вече не е възможно да се подравнят по-нататък, се казва, че точката на насищане на материала е достигната. Този ефект се отразява в кривите на хистерезиса, които се появяват по-късно.

Нагряването на материала води до загуба на подреждането на магнитните моменти. Температурата, при която изцяло се губи намагнитването, се различава в зависимост от вида на материала, за бар-магнит обикновено се губи при около 770 ° С.

След като магнитът бъде отстранен, намазването на ноктите се губи поради непрекъснатото термично разбъркване. Но има и други съединения, които имат постоянна магнетизация, защото имат спонтанно подредени домейни.

Магнитните домени могат да се наблюдават, когато плоска повърхност от немагнитен феромагнитен материал, като например сладко желязо, се изрязва и полира много добре. След като това се направи, се поръсва с фин желязо или прах.

Под микроскоп се наблюдава, че чиповете са групирани върху областите на формиране на минерали с много добре определена ориентация, следвайки магнитните домени на материала.

Разликата в поведението между различните магнитни материали се дължи на начина, по който домейните се държат в техния интериор.

Магнитна хистерезис

Магнитният хистерезис е характеристика, която притежават само материали с висока магнитна пропускливост. Той не е представен от парамагнитни или диамагнитни материали.

Той представлява ефекта на приложено външно магнитно поле, което се обозначава като Н върху магнитната индукция В на феромагнитния метал по време на цикъла на намагнитване и десиминация. Показаната графика носи името на хистерезисната крива.

Първоначално в точка О няма приложно поле Н, нито магнитна реакция В, но с увеличаване на интензивността Н индукцията Б нараства прогресивно до достигане на величината на насищане B s в точка А, която се очаква.

Сега интензивността на Н постепенно намалява, докато стане 0, с което стигаме до точка С, но магнитната реакция на материала не изчезва, запазвайки остатъчно намагнитване, посочено от стойността B r . Това означава, че процесът не е обратим.

От там интензивността на Н нараства, но с обърната полярност (отрицателен знак), така че оставащото намагнитване се отменя в точка D. Необходимата стойност на H се обозначава като H c и се нарича коерцитивно поле .

Величината на Н нараства до достигане отново на стойността на насищане в Е и веднага интензивността на Н намалява, докато достигне 0, но остава оставащо намагнитване с полярност, противоположна на описаната по-горе, в точка F.

Сега полярността на Н отново се обръща и нейната величина се увеличава, докато магнитната реакция на материала в точка Г не бъде отменена. Но най-интересното е, че не сте стигнали до първоначалния път, посочен от червените стрелки.

Магнитно твърди и меки материали: приложения

Сладкото желязо е по-лесно да се намагнетизира от стоманата и чрез изтласкване на материала се улеснява подреждането на домейните.

Когато материалът е лесен за магнетизиране и размагнитяване, се казва, че е магнитно мек, и разбира се, ако се случи, обратното е магнитно твърд материал. В последните магнитните домени са малки, докато в първите те са големи, така че могат да се видят чрез микроскопа, както е описано по-горе.

Площта, затворена от кривата на хистерезиса, е мярка за енергията, необходима за магнетизиране - размагнитяване на материала. Фигурата показва две хистерезисни криви за два различни материала. Едната от лявата страна е магнитно мека, докато тази отдясно е твърда.

Мекият феромагнитен материал има малко коерцитивно поле H c и тясна и висока хистерезисна крива. Той е подходящ материал за поставянето му в сърцевината на електрически трансформатор. Примери за това са сладки желязо и сплави силиций-желязо и никел-желязо, полезни за комуникационно оборудване.

За разлика от тях, магнитните твърди материали са трудни за размагнитяване, след като са намагнетизирани, като сплави (алуминий-никел-кобалт) сплави и редкоземни сплави, с които се произвеждат постоянни магнити.