Ferromagnetisme -materialen, toepassingen en voorbeelden

Hij Ferromagnetisme Het is de eigenschap die sommige stoffen een intense en permanente magnetische respons geeft. In de natuur zijn er vijf elementen met deze eigenschap: ijzer, kobalt, nikkel, gadolinio en disposio, de laatste zeldzame aardes.

In aanwezigheid van een extern magnetisch veld, zoals die geproduceerd door een natuurlijke magneet of een elektromagneet, reageert een stof op een karakteristieke manier, volgens de interne configuratie. De grootte die deze reactie kwantificeert, is de magnetische permeabiliteit.

Magneten die een brug vormen. Bron: Pixabay

Magnetische permeabiliteit is een dimensieloze hoeveelheid gegeven door het quotiënt tussen de intensiteit van het magnetische veld dat in het materiaal wordt gegenereerd en die van het extern toegepaste magnetische veld.

Wanneer deze reactie veel groter is dan 1, wordt het materiaal geclassificeerd als ferromagnetisch. Aan de andere kant, als de permeabiliteit niet veel groter is dan 1, wordt geacht dat de magnetische respons zwakker is, het zijn paramagnetische materialen.

In ijzer is de magnetische permeabiliteit in de orde van 10⁴. Dit betekent dat het veld in het ijzer ongeveer 10000 keer groter is dan het veld dat extern van toepassing is. Wat een idee geeft van hoe krachtig de magnetische reactie van dit mineraal is.

[TOC]

Hoe komt de magnetische respons af in de stoffen?

Magnetisme is bekend is een effect geassocieerd met de beweging van elektrische ladingen. Dat is precies de elektrische stroom. Waar komen de magnetische eigenschappen van de staafmagneet vandaan waaruit een noot is geraakt in de koelkast?

Het materiaal van de magneet, en ook elke andere stof bevat protonen en elektronen binnen, die hun eigen beweging hebben en op verschillende manieren elektrische stromen genereren.

Een zeer vereenvoudigd model veronderstelt het elektron in cirkelvormige baan rond de kern gevormd door protonen en neutronen, waardoor een klein spase van stroom van stroom wordt gevormd. Elke spase heeft een vectorgrootte geassocieerd genaamd "orbitaal magnetisch moment", waarvan de intensiteit wordt gegeven door het product van de stroom en het gebied bepaald door de lus: de Bohr Magneton.

Natuurlijk hangt de stroom in dit kleine beetje af van de elektronenbelasting. Omdat alle stoffen binnenin elektronen bevatten, hebben ze allemaal de mogelijkheid om magnetische eigenschappen uit te drukken. Ze doen het echter niet allemaal.

Dit komt omdat hun magnetische momenten niet zijn uitgelijnd, maar willekeurig binnen gerangschikt, zodat hun magnetische effecten op macroscopisch niveau worden geannuleerd.

Het verhaal eindigt hier niet. Het magnetische momentproduct van de elektronenbeweging rond de kern is niet de enige mogelijke bron van magnetisme op deze schaal.

Kan u dienen: astrofysica: object van studie, geschiedenis, theorieën, takken

Het elektron heeft een soort rotatiebeweging rond zijn as. Het is een effect dat zich vertaalt in een intrinsiek hoekmomentum. Deze eigenschap wordt gebeld spinnen van het elektron.

Natuurlijk heeft het ook een bijbehorend magnetisch moment en is het veel intenser dan het orbitale moment. In feite is de grootste bijdrage aan het netto magnetische moment van het atoom door de spin, ondanks beide magnetische momenten: die van de vertaling plus het intrinsieke hoekmomentum, draagt ​​bij aan het totale magnetische moment van het atoom.

Deze magnetische momenten zijn die die de neiging hebben zich uit te lijnen in aanwezigheid van een extern magnetisch veld. En ze doen ze ook met de velden die zijn gemaakt door aangrenzende momenten in het materiaal.

Nu vormen elektronen meestal paren in atomen met veel elektronen. Paren worden gevormd tussen elektronen met tegengestelde spin, wat resulteert in het magnetische moment van Spin.

De enige manier waarop de spin bijdraagt ​​aan het totale magnetische moment is dat iemand is verdwenen, dat wil zeggen dat het atoom een ​​oneven aantal elektronen heeft.

Het is de moeite waard om te vragen wat er is over het magnetische moment van de protonen in de kern. Omdat ze ook een spin -tijd hebben, maar het wordt niet geacht om aanzienlijk bij te dragen aan het magnetisme van een atoom. Het is omdat het spinmoment omgekeerd hangt van de massa en de massa van het proton is veel groter dan die van het elektron.

Magnetische domeinen

In ijzer, kobalt en nikkel, de triade van elementen met grote magnetische respons, is het netto moment van spin geproduceerd door elektronen niet nul ... In deze metalen dragen elektronen in de 3D -orbital bij aan het netmagnetische moment. Daarom worden dergelijke materialen als ferromagnetisch beschouwd.

Dit individuele magnetische moment van elk atoom is echter niet voldoende om het gedrag van ferromagnetische materialen te verklaren.

Binnen sterk magnetische materialen zijn er gebieden genoemd Magnetische domeinen, waarvan de uitbreiding kan variëren van 10^-4 en 10^-1 cm en die bevatten miljarden atomen. In deze regio's beheren de netto spinmomenten van naburige atomen.

Wanneer een magnetisch domeinbezit een magneet nadert, komt domeinen in overeenstemming met elkaar, waardoor het magnetische effect wordt geïntensiveerd.

Het is te wijten aan het feit dat de domeinen, zoals staafmagneten, magnetische polen hebben, evenzeer aangeduid als noord en zuid, zodat de gelijke polen afstoten en tegengestelden aantrekken.

Het kan u van dienst zijn: geluidspropagatie

Terwijl de domeinen aansluiten bij het externe veld, stoot het materiaal kraken uit die kunnen worden gehoord door de juiste versterking.

Dit effect is te zien wanneer een magneet zoete ijzeren nagels aantrekt en deze zich op hun beurt gedragen als magneten die andere nagels aantrekken.

Magnetische domeinen zijn geen statische randen die binnen het materiaal zijn vastgesteld. De grootte ervan kan worden gewijzigd door het materiaal te koelen of te verwarmen en het ook te onderwerpen aan de werking van externe magnetische velden.

Domeingroei is echter niet onbeperkt. Op het moment dat het niet langer mogelijk is om ze uit te lijnen, wordt gezegd dat het materiaalverzadigingspunt is bereikt. Dit effect wordt weerspiegeld in de hysteresiscurves die later verschijnen.

De verwarming van het materiaal veroorzaakt het verlies van uitlijning van magnetische momenten. De temperatuur waarbij magnetisatie volledig verloren gaat volgens het type materiaal, voor een staafmagneet, gaat ongeveer 770 º C meestal verloren.

Zodra de magneet is verwijderd, gaat de magnetisatie van de nagels verloren door de thermische agitatie die te allen tijde aanwezig is. Maar er zijn andere verbindingen die permanente magnetisatie hebben, voor spontaan uitgelijnde domeinen.

Magnetische domeinen kunnen worden waargenomen wanneer een plat ferromagnetisch materiaal wordt gesneden en zeer goed gepolijst. Zodra dit is besprenkeld met stof of fijne ijzeren bestanden.

Onder de microscoop wordt waargenomen dat de chips zijn gegroepeerd op de regio's van de minerale vorming met een zeer goed gedefinieerde oriëntatie, volgens de magnetische domeinen van het materiaal.

Het gedragsverschil tussen verschillende magnetische materialen is te wijten aan de manier waarop domeinen zich gedragen.

Magnetische hysteresis

Magnetische hysterese is een kenmerk dat alleen materialen met een hoge magnetische permeabiliteit hebben. Presenteer de paramagnetische of diamagnetische materialen niet.

Vertegenwoordigt het effect van een toegepast extern magnetisch veld, dat wordt aangeduid als H Over magnetische inductie B van een ferromagnetisch metaal tijdens een cyclus van imanatie en desimanatie. De getoonde grafiek heeft de naam van hysteresiscurve.

Ferromagnetische hysterese -cyclus

Aanvankelijk op het punt of er is geen toegepast veld H Geen magnetische reactie B, maar als de intensiteit van H, Inductie B neemt geleidelijk toe totdat het de omvang van verzadiging bereikt B_S Op punt A, dat wordt verwacht.

Nu de intensiteit van H Totdat het is gedaan, daarmee wordt het bereikt op punt C, maar de magnetische respons van het materiaal verdwijnt niet, met behoud van een resterende magnetisatie aangegeven door waarde B_R. Betekent dat het proces niet omkeerbaar is.

Kan u van dienst zijn: elektrodynamica

Van daaruit de intensiteit van H Verhoog maar met omgekeerde polariteit (negatief teken), zodat de resterende magnetisatie wordt geannuleerd op punt D. De noodzakelijke waarde van H Het wordt aangeduid als H_C en ontvang de naam van dwangveld.

De omvang van H neemt toe tot de verzadigingswaarde in E en onmiddellijk de intensiteit van H Het neemt af totdat het 0 bereikt, maar er is een resterende magnetisatie met polariteit tegenover die hierboven beschreven, op punt F.

Nu de polariteit van H Nogmaals en de omvang ervan wordt verhoogd om de magnetische respons van het materiaal op punt G te annuleren. De weg volgt, zijn verzadiging wordt opnieuw. Maar het interessante is dat het er niet is gekomen op de oorspronkelijke weg aangegeven door de rode pijlen.

Magnetisch harde en zachte materialen: toepassingen

Zoet ijzer is gemakkelijker te magnetiseren dan staal en tikken op het materiaal, de uitlijning van domeinen wordt verder vergemakkelijkt.

Wanneer een materiaal gemakkelijk te magnetiseren is en op te vouwen, wordt gezegd dat het dat is magnetisch zacht, En als het tegenovergestelde gebeurt, is een materiaal natuurlijk magnetisch hard. In het laatste zijn magnetische domeinen klein, terwijl ze in het eerste groot zijn, zodat ze door de microscoop kunnen worden gezien, zoals hierboven gedetailleerd.

Het gebied dat wordt ingesloten door de hysteresiscurve is een maat voor de energie die nodig is om het materiaal te magnetiseren - vouwen. In figuur worden twee hysterese -krommen gewaardeerd voor twee verschillende materialen. Degene aan de linkerkant is magnetisch zacht, terwijl die aan de rechterkant moeilijk is.

Een zacht ferromagnetisch materiaal heeft een dwingend veld H_C Kleine en een smalle en hoge hysterese -curve. Het is een geschikt materiaal om het in de kern van een elektrische transformator te plaatsen. Voorbeeld van hen zijn zoete ijzer- en silicium- en ijzeren-nickel-legeringen, nuttig voor communicatieapparatuur.

Aan de andere kant zijn magnetisch harde materialen moeilijk te verdwijnen zodra ze zich voorstellen, zoals bij de Alnico-legeringen (aluminium-nickel-colto) en zeldzame aardlegeringen waarmee permanente magneten worden vervaardigd.

Referenties

1. Eisberg, r. 1978.  Kwantumfysica.  Limusa. 557 -577.
2. Jong, Hugh. 2016. Sears-Zansky's University Physics with Modern Physics. 14e ed. Pearson. 943.
3. Zapata, f. (2003). Studie van mineralogieën geassocieerd met de Guafita 8x Oil Well behorend tot de Guafita Campo (Apure State) door metingen van magnetische gevoeligheid en mossbauer. Graad scriptie. Centrale Universiteit van Venezuela.