FERROMAGNETISM: MATERIAL, APPLIKATIONER OCH EXEMPEL - FYSISK - 2025

Den ferromagnetism är den egenskap som ger vissa ämnen intensiv och permanent magnetisk respons. I naturen finns det fem element med denna egenskap: järn, kobolt, nickel, gadolinium och dysprosium, de senare sällsynta jordartserna.

I närvaro av ett yttre magnetfält, såsom det som produceras av en naturlig magnet eller en elektromagnet, svarar ett ämne på ett karakteristiskt sätt i enlighet med dess interna konfiguration. Storleken som kvantifierar detta svar är den magnetiska permeabiliteten.

Magneter som bildar en bro. Källa: Pixabay

Magnetisk permeabilitet är en måttlös kvantitet som ges av kvoten mellan intensiteten hos det magnetfält som alstras inuti materialet och det magnetiska fältet som appliceras externt.

När detta svar är mycket större än 1, klassificeras materialet som ferromagnetiskt. Å andra sidan, om permeabiliteten inte är mycket större än 1, anses det magnetiska svaret vara svagare, de är paramagnetiska material.

I järn är magnetisk permeabilitet av storleksordningen 10 ⁴ . Detta innebär att fältet inuti järnet är cirka 10 000 gånger större än fältet som appliceras externt. Vilket ger en uppfattning om hur kraftfullt det magnetiska svaret för detta mineral är.

Hur kommer det magnetiska svaret från ämnen?

Magnetism är känt för att vara en effekt förknippad med rörelsen av elektriska laddningar. Det är exakt vad den elektriska strömmen består av. Var kommer då de magnetiska egenskaperna hos stångmagneten som en lapp har fastnat i kylen?

Magnetmaterialet, och alla andra ämnen innehåller protoner och elektroner, som har sin egen rörelse och genererar elektriska strömmar på olika sätt.

En mycket förenklad modell antar att elektronen i en cirkulär bana runt kärnan består av protoner och neutroner och därmed bildar en liten strömslinga. Varje slinga är associerad med en vektorstorlek som kallas "omloppsmagnetiskt moment", vars intensitet ges av produkten från strömmen och det område som bestäms av slingan: Bohr-magneton.

Naturligtvis beror strömmen i denna lilla slinga på elektronens laddning. Eftersom alla ämnen innehåller elektroner i deras inre har alla i princip möjligheten att uttrycka magnetiska egenskaper. Men inte alla gör det.

Detta beror på att dess magnetiska moment inte är inriktade, utan slumpmässigt arrangerade inuti, så att dess makroskopiska magnetiska effekter avbryter.

Berättelsen slutar inte här. Den magnetiska momentprodukten av elektronrörelsen runt kärnan är inte den enda möjliga källan till magnetism på denna skala.

Elektronen har en slags rotationsrörelse runt sin axel. Det är en effekt som översätts till en inre vinkelmoment. Denna egenskap kallas elektron spinn .

Naturligtvis har den också ett tillhörande magnetiskt ögonblick och det är mycket starkare än kretsloppet. Faktum är att det största bidraget till atomens nettomagnetiska ögonblick är genom vridningen, emellertid båda magnetiska ögonblicken: översättningen plus den i det intrinsiska vinkelmomentet, bidrar till atomens totala magnetiska ögonblick.

Dessa magnetiska moment är de som tenderar att anpassa sig i närvaro av ett yttre magnetfält. Och de gör det också med fälten som skapats av angränsande stunder i materialet.

Nu kopplas elektroner vanligtvis i atomer med många elektroner. Par bildas mellan elektroner med motsatt snurr, vilket resulterar i att det magnetiska spinnmomentet avbryter.

Det enda sättet att snurret bidrar till det totala magnetiska ögonblicket är om en av dem är oparad, det vill säga atomen har ett udda antal elektroner.

Vad sägs om det magnetiska ögonblicket för protoner i kärnan? Tja, de har också snurrmoment, men det anses inte bidra väsentligt till en atoms magnetism. Detta beror på att spinnmomentet är omvänt beroende av massan och massans proton är mycket större än elektronens.

De magnetiska domänerna

I järn, kobolt och nickel, triaden av element med stor magnetisk respons, det elektroniska spinnmomentet som produceras av elektronerna är inte noll. I dessa metaller är elektronerna i 3d-banan, de yttersta, som bidrar till det magnetiska nettomomentet. Det är därför sådana material betraktas som ferromagnetiska.

Detta individuella magnetiska ögonblick i varje atom räcker emellertid inte för att förklara ferromagnetiska materialers beteende.

Inuti starkt magnetiska material finns det regioner som kallas magnetiska domäner , vars förlängning kan variera mellan ^10-4 och ^10-1 cm och som innehåller miljarder atomer. I dessa regioner kopplas nätspinnmomentet hos angränsande atomer tätt samman.

När ett material med magnetiska domäner närmar sig en magnet justeras domänerna med varandra, vilket förstärker den magnetiska effekten.

Det beror på att domäner, liksom stapelmagneter, har magnetpoler, lika betecknade norr och söder, så att liknande poler stöter och motsatta poler lockar.

När domänerna överensstämmer med det yttre fältet avger materialet sprickljud som kan höras genom lämplig förstärkning.

Denna effekt kan ses när en magnet lockar till sig de mjuka järnspikarna och i sin tur uppför sig som magneter som lockar andra naglar.

Magnetiska domäner är inte statiska gränser etablerade i materialet. Dess storlek kan modifieras genom att kyla eller värma upp materialet och även utsätta det för verkan av yttre magnetfält.

Domänens tillväxt är dock inte obegränsad. I det ögonblick då det inte längre är möjligt att anpassa dem sägs det att materialets mättnadspunkt har uppnåtts. Denna effekt återspeglas i hystereskurvorna nedan.

Uppvärmning av materialet orsakar förlust av justering av magnetiska moment. Temperaturen vid vilken magnetisering är helt förlorad skiljer sig beroende på materialtyp, för en stångmagnet förlorar den vanligtvis vid cirka 770 ºC.

När magneten har tagits bort förloras magnetiseringen av naglarna på grund av den närvarande värmande omrörningen. Men det finns andra föreningar som har permanent magnetisering, eftersom de har spontant anpassade domäner.

Magnetiska domäner kan observeras när en plan yta av icke-magnetiserat ferromagnetiskt material, såsom mjukt järn, är mycket snitt och polerat. När detta är gjort besprutas det med pulver eller finjärn.

Under mikroskopet observeras att flisarna är grupperade på de mineralbildande områdena med en mycket väl definierad orientering, efter materialets magnetiska domäner.

Skillnaden i beteende mellan olika magnetiska material beror på hur domänerna beter sig inom dem.

Magnetisk hysteres

Magnetisk hysteres är en egenskap som endast material med hög magnetisk permeabilitet har. Det finns inte i paramagnetiska eller diamagnetiska material.

Det representerar effekten av ett applicerat yttre magnetfält, som betecknas som H, på magnetisk induktion B av en ferromagnetisk metall under en cykel med magnetisering och demagnetisering. Den visade grafen kallas en hystereskurva.

Ferromagnetisk hysterescykel

Initialt vid punkten O finns det ingen pålagda fältet H eller magnetisk respons B , men som intensiteten av H ökar , induktion av B ökar progressivt tills den når mättnads magnitud B _s vid punkt A, som förväntas.

Nu minskas intensiteten hos H gradvis tills den blir 0, med att vi når punkt C, emellertid försvinner materialets magnetiska svar inte, vilket bibehåller en kvarstående magnetisering indikerad med värdet B _r . Det betyder att processen inte är reversibel.

Däri intensiteten av H ökar men med polariteten omvänd (negativt tecken), så att den remanenta magnetiseringen avbryts vid punkten D. Den nödvändiga värdet på H betecknas H _c och kallas den koercitiva fältet .

Storleken på H ökar tills den når mättnadsvärdet vid E igen och omedelbart minskar H- intensiteten tills den når 0, men det kvarstår en kvarstående magnetisering med polaritet motsatt den som tidigare beskrivits, vid punkt F.

Nu reverseras polariteten hos H igen och dess storlek ökar tills det magnetiska svaret för materialet vid punkt G avbryts. Efter vägen GA erhålles dess mättnad igen. Men det intressanta är att du inte kom dit med den ursprungliga banan som indikeras av de röda pilarna.

Magnetiskt hårda och mjuka material: applikationer

Mjukt järn är lättare att magnetisera än stål, och att tappa materialet underlättar ytterligare inriktningen av domänerna.

När ett material är lätt att magnetisera och avmagnetisera sägs det vara magnetiskt mjukt , och naturligtvis om det motsatta händer är det ett magnetiskt hårt material . I de senare är de magnetiska domänerna små, medan de i de förstnämnda är stora, så att de kan ses genom mikroskopet, såsom beskrivs ovan.

Området som omges av hystereskurvan är ett mått på energin som krävs för att magnetisera - avmagnetisera materialet. Figuren visar två hystereskurvor för två olika material. Den till vänster är magnetiskt mjuk, medan den till höger är hård.

Ett mjukt ferromagnetiskt material har en liten koercitiv H _c och en hög, smal hystereskurva. Det är ett lämpligt material som ska placeras i kärnan i en elektrisk transformator. Exempel på dem är mjukt järn och kiseljärn och järn-nickellegeringar, användbara för kommunikationsutrustning.

Å andra sidan är magnetiskt hårda material svåra att avmagnetisera när de magnetiserats, som är fallet med alnico-legeringar (aluminium-nickel-kobolt) och sällsynta jordartsmetaller med permanentmagneter.

referenser

1. Eisberg, R. 1978. Kvantfysik. Limusa. 557 -577.
2. Ung, Hugh. 2016. Sears-Zemanskys universitetsfysik med modern fysik. 14: e Pearson. 943.
3. Zapata, F. (2003). Studie av mineralogier associerade med Guafita 8x oljebrunn som tillhör Guafita-fältet (Apure State) med användning av Mossbauer Magnetic Susceptibility and Spectroscopy-mätningar. Examensarbete. Central University of Venezuela.