ФЕРОМАГНЕТИЗЪМ: МАТЕРИАЛИ, ПРИЛОЖЕНИЯ И ПРИМЕРИ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

В феромагнетизма е собственост, която дава някои вещества, интензивно и постоянно магнитно отговор. В природата има пет елемента с това свойство: желязо, кобалт, никел, гадолиний и диспрозий, последните редки земи.

При наличието на външно магнитно поле, като това, произведено от естествен магнит или електромагнит, веществото реагира по характерен начин, според неговата вътрешна конфигурация. Величината, която количествено определя този отговор, е магнитната проницаемост.

Магнити, образуващи мост. Източник: Pixabay

Магнитната проницаемост е безразмерно количество, зададено от коефициента между интензитета на магнитното поле, генерирано вътре в материала, и интензивността на магнитното поле, прилагано външно.

Когато този отговор е много по-голям от 1, материалът се класифицира като феромагнетичен. От друга страна, ако проницаемостта не е много по-голяма от 1, магнитният отговор се счита за по-слаб, те са парамагнитни материали.

В желязото магнитната проницаемост е от порядъка на 10 ⁴. Това означава, че полето вътре в желязото е около 10 000 пъти по-голямо от полето, прилагано външно. Което дава представа колко мощен е магнитният отговор на този минерал.

Как магнитният отговор възниква вътре в вещества?

Магнетизмът е известен като ефект, свързан с движението на електрическите заряди. Точно от това се състои електрическият ток. Откъде произлизат магнитните свойства на лентовия магнит, с които бележка е залепена на хладилника?

Материалът на магнита, както и всяко друго вещество съдържа вътре протони и електрони, които имат собствено движение и генерират електрически токове по различни начини.

Много опростен модел приема електрона в кръгова орбита около ядрото, съставено от протони и неутрони, като по този начин образува мъничка верига от ток. Всеки цикъл е свързан с векторна величина, наречена "орбитален магнитен момент", чиято интензивност е дадена от произведението на тока и площта, определена от контура: магнитът на Бор.

Разбира се, в този малък контур токът зависи от заряда на електрона. Тъй като всички вещества съдържат електрони във вътрешността си, всички имат по принцип възможност за изразяване на магнитни свойства. Въпреки това, не всички от тях.

Това е така, защото магнитните му моменти не са подравнени, а произволно подредени вътре, така че макроскопските му магнитни ефекти да отменят.

Историята не свършва дотук. Продуктът на магнитния момент от движението на електроните около ядрото не е единственият възможен източник на магнетизъм в тази скала.

Електронът има вид въртеливо движение около оста си. Това е ефект, който се превежда във вътрешна ъглова инерция. Това свойство се нарича спин на електрон.

Естествено, той също има свързан магнитен момент и е много по-силен от орбиталния момент. Всъщност най-големият принос за нетния магнитен момент на атома е чрез въртенето, но и двата магнитни момента: този на превода плюс този на вътрешния ъглов импулс допринасят за общия магнитен момент на атома.

Тези магнитни моменти са тези, които са склонни да се подравняват в присъствието на външно магнитно поле. И го правят и с полетата, създадени от съседни моменти в материала.

Сега електроните обикновено се свързват в атоми с много електрони. Двойките се образуват между електрони с противоположен спин, което води до отпадане на магнитния момент на спина.

Единственият начин, който спинът допринася за общия магнитен момент е, ако един от тях е неспарен, тоест атомът има нечетен брой електрони.

Ами магнитният момент на протоните в ядрото? Е, те също имат момент на въртене, но не се счита, че допринасят значително за магнетизма на един атом. Това е така, защото въртящият момент е обратно зависим от масата и масата на протона е много по-голяма от тази на електрона.

Магнитните домейни

В желязо, кобалт и никел триадата от елементи с голям магнитен отговор, нетният спинов момент, произведен от електроните, не е нула. В тези метали електроните в 3d орбиталата, най-външните, които допринасят за нетния магнитен момент. Ето защо такива материали се считат за феромагнитни.

Този индивидуален магнитен момент на всеки атом обаче не е достатъчен, за да обясни поведението на феромагнитните материали.

Вътре в силно магнитни материали има области, наречени магнитни домейни, чието разширение може да варира между 10 ^-4 и 10 ^-1 cm и които съдържат милиарди атоми. В тези региони нетните моменти на въртене на съседните атоми стават плътно свързани.

Когато материал с магнитни домейни се приближи до магнит, домейните се подравняват един с друг, засилвайки магнитния ефект.

Това е така, защото домейните, подобно на щангите с магнит, имат магнитни полюси, обозначени еднакво Север и Юг, такива, които като стълбове отблъскват, а противоположните полюси привличат.

Тъй като домейните се изравняват с външното поле, материалът излъчва пропукващи звуци, които могат да бъдат чути чрез подходящо усилване.

Този ефект може да се види, когато магнит привлича меките железни нокти и те от своя страна се държат като магнити, привличащи други нокти.

Магнитните домейни не са статични граници, установени в материала. Размерът му може да се променя чрез охлаждане или нагряване на материала, а също и да се подлага на действието на външни магнитни полета.

Въпреки това, растежът на домейна не е неограничен. В момента, в който вече не е възможно да ги подравните, се казва, че е достигната точка на насищане на материала. Този ефект се отразява в кривите на хистерезис по-долу.

Загряването на материала води до загуба на подравняване на магнитните моменти. Температурата, при която намагнитването е напълно загубено, се различава в зависимост от вида на материала, а за бар магнит обикновено се губи при около 770ºC.

След като магнитът се отстрани, намагнитването на ноктите се губи поради наличното през цялото време топлинно възбуждане. Но има и други съединения, които имат постоянна намагнетизация, тъй като имат спонтанно подравнени домейни.

Магнитни домейни могат да се наблюдават, когато плоска площ от немагнетизиран феромагнетичен материал, като меко желязо, е много добре изрязана и полирана. След като това е направено, се поръсва с прах или фини железни филъри.

Под микроскоп се наблюдава, че стружките са групирани върху минералообразуващите участъци с много добре определена ориентация, следвайки магнитните области на материала.

Разликата в поведението между различните магнитни материали се дължи на начина на поведение на домейните в тях.

Магнитна хистерезис

Магнитната хистерезис е характеристика, която притежават само материали с висока магнитна пропускливост. Не присъства в парамагнитни или диамагнитни материали.

Той представлява ефекта на приложено външно магнитно поле, което се обозначава като Н, върху магнитната индукция В на феромагнетичен метал по време на цикъл на намагнетизация и демагнетизация. Показаната графика се нарича хистерезисна крива.

Феромагнитен цикъл на хистерезис

Първоначално в точка О няма приложено поле Н или магнитна реакция В, но тъй като интензитетът на Н се увеличава, индукцията В нараства прогресивно, докато достигне величината на насищане B _s в точка A, която се очаква.

Сега интензитетът на Н прогресивно намалява, докато не стане 0, с което достигаме точка С, но магнитният отговор на материала не изчезва, запазвайки остатъчна намагнетизация, посочена със стойността B _r. Това означава, че процесът не е обратим.

Оттам интензивността на Н нараства, но с обърната полярност (отрицателен знак), така че остатъчната намагнетизация се отменя в точка D. Необходимата стойност на Н се обозначава като Н _с и се нарича коерцитивно поле.

Величината на Н се увеличава, докато отново достигне стойността на насищане при Е и веднага интензитетът на Н намалява, докато достигне 0, но остава остатъчна намагнитване с полярност, обратна на описаната по-рано, в точка F.

Сега полярността на Н отново се обръща и неговата величина се увеличава, докато магнитният отговор на материала в точка G. не бъде отменен. Следвайки пътя GA отново се получава насищането му. Но интересното е, че не сте стигнали до там по оригиналния път, посочен от червените стрелки.

Магнетично твърди и меки материали: приложения

Мекото желязо се магнетизира по-лесно от стоманата, а докосването на материала допълнително улеснява подравняването на домейните.

Когато материалът е лесен за магнетизиране и демагнетизиране, се казва, че е магнетично мек и, разбира се, ако се случи обратното, това е магнитно твърд материал. При вторите магнитните домейни са малки, докато в първите са големи, така че могат да се видят през микроскопа, както е описано по-горе.

Площта, затворена от кривата на хистерезис, е мярка за енергията, необходима за магнетизиране - демагнетизиране на материала. На фигурата са показани две хистерезисни криви за два различни материала. Този отляво е магнетично мек, докато този вдясно е твърд.

Мекият феромагнетичен материал има малко коерцитивно поле H _c и висока, тясна хистерезисна крива. Подходящ материал е да се постави в сърцевината на електрически трансформатор. Примери за тях са меко желязо и силиций-желязо и желязо-никелови сплави, полезни за комуникационно оборудване.

От друга страна, магнитно твърдите материали е трудно да се демагнетизират веднъж намагнетизирани, какъвто е случаят с алниковите сплави (алуминий-никел-кобалт) и рядкоземни сплави, с които се правят постоянни магнити.

Препратки

1. Айсберг, Р. 1978. Квантова физика. Limusa. 557 -577.
2. Млад, Хю. 2016. Университетската физика на Sears-Zemansky с модерна физика. 14-ти изд. Пирсън. 943.
3. Сапата, Ф. (2003). Проучване на минералогии, свързани с нефтената ямка на Guafita 8x, принадлежаща към полето Гуафита (състояние Апуре), като се използват измервания на магнитната чувствителност и спектроскопия на Мосбауер. Дипломна работа. Централен университет на Венецуела.