FERROMAGNETISME: MATERIALER, APPLIKASJONER OG EKSEMPLER - FYSISK - 2026

Den ferromagnetism er eiendommen som gir noen stoffer intens og permanent magnetisk respons. I naturen er det fem elementer med denne egenskapen: jern, kobolt, nikkel, gadolinium og dysprosium, de sistnevnte sjeldne jordene.

I nærvær av et eksternt magnetfelt, slik som det produsert av en naturlig magnet eller en elektromagnet, reagerer et stoff på en karakteristisk måte, i henhold til den interne konfigurasjonen. 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 av magnetfeltet generert inne i materialet og det for magnetfeltet som påføres eksternt.

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

I jern er den magnetiske permeabiliteten av størrelsesorden 10 ⁴ . Dette betyr at feltet inne i jernet er omtrent 10.000 ganger større enn feltet som er påført eksternt. Noe som gir en ide om hvor kraftig den magnetiske responsen til dette mineralet er.

Hvordan kommer den magnetiske responsen fra stoffer?

Magnetisme er kjent for å være en effekt assosiert med bevegelse av elektriske ladninger. Det er akkurat det den elektriske strømmen består av. Hvor kommer de magnetiske egenskapene til stangmagneten som en lapp har satt seg fast i kjøleskapet fra?

Magnetets materiale, og også ethvert annet stoff inneholder protoner og elektroner inne, som har sin egen bevegelse og genererer elektriske strømmer på forskjellige måter.

En veldig forenklet modell antar at elektronet i en sirkulær bane rundt kjernen består av protoner og nøytroner, og dermed danner en liten strømsløyfe. Hver sløyfe er assosiert med en vektorstørrelse som kalles "orbital magnetisk moment", hvis intensitet er gitt av produktet av strømmen og området bestemt av loopen: Bohr magneton.

I denne lille sløyfen avhenger naturligvis strømmen av ladningen til elektronet. Siden alle stoffer inneholder elektroner i sitt indre, har alle i prinsippet muligheten til å uttrykke magnetiske egenskaper. Det er imidlertid ikke alle som gjør det.

Dette er fordi magnetiske momenter ikke er på linje, men heller tilfeldig anordnet inni, på en slik måte at dens makroskopiske magnetiske effekter avbryter.

Historien slutter ikke her. Det magnetiske momentproduktet av elektronbevegelsen rundt kjernen er ikke den eneste mulige kilde til magnetisme på denne skalaen.

Elektronet har en slags rotasjonsbevegelse rundt aksen. Det er en effekt som oversettes til et iboende vinkelmoment. Denne egenskapen kalles elektronspinn .

Naturligvis har den også et tilknyttet magnetisk øyeblikk, og det er mye sterkere enn det orbitale øyeblikket. Faktisk er det største bidraget til atomets nettomagnetiske moment gjennom spinningen, men begge magnetiske momenter: oversettelsens pluss det i det indre vinkelmomentumet, bidrar til atomets totale magnetiske moment.

Disse magnetiske momentene er de som har en tendens til å samkjøre i nærvær av et eksternt magnetfelt. Og de gjør det også med åkrene som er skapt av nabomomenter i materialet.

Nå kobler elektroner vanligvis sammen i atomer med mange elektroner. Par dannes mellom elektroner med motsatt spinn, noe som resulterer i at magnetomspinnets magnetiske øyeblikk avbrytes.

Den eneste måten spinnet bidrar til det totale magnetiske øyeblikket er hvis en av dem er uparmerte, det vil si at atomet har et ulikt antall elektroner.

Hva med det magnetiske øyeblikket av protoner i kjernen? Vel, de har også spinnmoment, men det anses ikke å bidra vesentlig til magnetismen til et atom. Dette fordi rotasjonsmomentet er omvendt avhengig av masse og massen til protonet er mye større enn elektronens.

De magnetiske domenene

I jern, kobolt og nikkel, er triaden av elementer med stor magnetisk respons, nettspinnmomentet produsert av elektronene ikke null. I disse metallene er elektronene i 3d-orbitalen, de ytterste, de som bidrar til det magnetiske nettomomentet. Derfor anses slike materialer som ferromagnetiske.

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

Inne i sterkt magnetiske materialer er det regioner som kalles magnetiske domener , hvis forlengelse kan variere mellom 10 ^-4 og 10 ^-1 cm og som inneholder milliarder av atomer. I disse regionene blir nettomspinnmomentene til naboatomer tett koblet.

Når et materiale med magnetiske domener nærmer seg en magnet, justeres domenene med hverandre og intensiverer den magnetiske effekten.

Det er fordi domener, som stangmagneter, har magnetiske poler, likt betegnet nord og sør, slik at som poler frastøter og motsetninger tiltrekker seg.

Når domenene er i samsvar med det ytre feltet, avgir materialet sprekkelyder som kan høres ved passende forsterkning.

Denne effekten kan sees når en magnet tiltrekker seg de myke jernspikrene og disse igjen oppfører seg som magneter som tiltrekker andre negler.

Magnetiske domener er ikke statiske grenser etablert i materialet. Størrelsen kan endres ved å avkjøle eller varme opp materialet, og også utsette det for virkningen av eksterne magnetfelt.

Imidlertid er veksten av domenet ikke ubegrenset. I det øyeblikket det ikke lenger er mulig å innrette dem, sies det at metningspunktet til materialet er nådd. Denne effekten gjenspeiles i hysteresekurvene nedenfor.

Oppvarming av materialet forårsaker tap av justering av magnetiske momenter. Temperaturen der magnetiseringen går helt tapt varierer avhengig av materialtype, for en stangmagnet går den vanligvis tapt ved rundt 770 ºC.

Når magneten er fjernet, går magnetiseringen av neglene tapt på grunn av den til enhver tid tilstede varmeopprøringen. Men det er andre forbindelser som har permanent magnetisering, fordi de har spontant justerte domener.

Magnetiske domener kan observeres når et flatt område av ikke-magnetisert ferromagnetisk materiale, for eksempel mykt jern, er veldig godt kuttet og polert. Når dette er gjort, drysses det med pulver eller fine jernfilinger.

Under mikroskopet blir det observert at flisene er gruppert på de mineraldannende områdene med en meget godt definert orientering, etter materialets magnetiske domener.

Forskjellen i atferd mellom forskjellige magnetiske materialer skyldes måten domenene oppfører seg i dem.

Magnetisk hysterese

Magnetisk hysterese er et kjennetegn som bare materialer med høy magnetisk permeabilitet har. Den er ikke til stede i paramagnetiske eller diamagnetiske materialer.

Det representerer effekten av et påført eksternt magnetfelt, som er betegnet som H, på magnetisk induksjon B av et ferromagnetisk metall under en syklus av magnetisering og demagnetisering. Grafen som vises kalles en hysteresekurve.

Ferromagnetisk hysteresisyklus

Innledningsvis ved punktet O er det ingen påtrykte felt H eller magnetisk reaksjon B , men etter hvert som intensiteten av H øker , den induksjon B øker progressivt inntil den når metnings størrelse B _s ved punktet A, som er forventet.

Nå reduseres intensiteten til H gradvis til den blir 0, med at vi når punkt C, men den magnetiske responsen til materialet forsvinner ikke, og beholder en gjenværende magnetisering indikert med verdien B _r . Det betyr at prosessen ikke er reversibel.

Derfra intensiteten av H øker, men med reversert polaritet (negativt fortegn), slik at den remanente magnetiseringen avbrytes i punktet D. Den nødvendige verdien av H er betegnet som H _c og kalles koersitivfeltet .

Størrelsen på H øker til den når metningsverdien ved E igjen og umiddelbart reduseres intensiteten til H til den når 0, men det gjenstår en gjenværende magnetisering med polaritet motsatt av det som tidligere er beskrevet, på punkt F.

Nå reverseres polariteten til H igjen, og dens styrke økes til den magnetiske responsen til materialet ved punkt G blir fulgt. Etter banen GA oppnås dens metning igjen. Men det interessante er at du ikke kom dit ved den opprinnelige banen som er indikert med de røde pilene.

Magnetisk harde og myke materialer: applikasjoner

Mykt jern er lettere å magnetisere enn stål, og å tappe materialet letter forenklingen av domenene.

Når et materiale er lett å magnetisere og avmagnetisere, sies det å være magnetisk mykt , og selvfølgelig hvis det motsatte skjer, er det et magnetisk hardt materiale . I sistnevnte er de magnetiske domenene små, mens de i de 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 kreves for å magnetisere - avmagnetisere materialet. Figuren viser to hysteresekurver for to forskjellige materialer. Den til venstre er magnetisk myk, mens den til høyre er hard.

Et mykt ferromagnetisk materiale har en liten koersitivfelt H _c og en høy, smal hysteresekurve. Det er et passende materiale som skal plasseres i kjernen i en elektrisk transformator. Eksempler på dem er mykt jern og silisium-jern og jern-nikkel-legeringer, nyttige for kommunikasjonsutstyr.

På den annen side er magnetiske harde materialer vanskelige å magnetisere når de magnetiseres, noe som er tilfelle med alnico-legeringer (aluminium-nikkel-kobolt) og sjeldne jordlegeringer som permanente magneter er laget med.

referanser

1. Eisberg, R. 1978. Kvantefysikk. Limusa. 557 -577.
2. Ung, Hugh. 2016. Sears-Zemanskys universitetsfysikk med moderne fysikk. 14. ed. Pearson. 943.
3. Zapata, F. (2003). Studie av mineralogier assosiert med Guafita 8x oljebrønn som tilhører Guafita-feltet (Apure State) ved bruk av Mossbauer Magnetic Susceptibility and Spectroscopy målinger. Gradsoppgave. Central University of Venezuela.