Właściwości materiałów ferromagnetycznych i ich zastosowanie w technice
Wokół drutu z prądem elektrycznym, nawet w próżni, jest pole magnetyczne… A jeśli w to pole wprowadzi się substancję, to pole magnetyczne się zmieni, ponieważ każda substancja w polu magnetycznym jest namagnesowana, to znaczy nabiera większego lub mniejszego momentu magnetycznego, określanego jako suma elementarnych momentów magnetycznych związanych z części, z których składa się ta substancja.
Istota zjawiska polega na tym, że cząsteczki wielu substancji mają własne momenty magnetyczne, ponieważ wewnątrz cząsteczek poruszają się ładunki, które tworzą elementarne prądy kołowe, a zatem towarzyszą im pola magnetyczne. Jeśli do substancji nie zostanie przyłożone żadne zewnętrzne pole magnetyczne, momenty magnetyczne jej cząsteczek są zorientowane losowo w przestrzeni, a całkowite pole magnetyczne (a także całkowity moment magnetyczny cząsteczek) takiej próbki będzie równe zeru.
Jeśli próbkę wprowadzi się do zewnętrznego pola magnetycznego, wówczas pod wpływem pola zewnętrznego orientacja elementarnych momentów magnetycznych jej cząsteczek uzyska preferencyjny kierunek. W rezultacie całkowity moment magnetyczny substancji nie będzie już równy zeru, ponieważ pola magnetyczne poszczególnych cząsteczek w nowych warunkach nie kompensują się nawzajem. W ten sposób substancja wytwarza pole magnetyczne B.
Jeśli cząsteczki substancji początkowo nie mają momentów magnetycznych (są takie substancje), to po wprowadzeniu takiej próbki do pola magnetycznego indukowane są w niej prądy kołowe, to znaczy cząsteczki uzyskują momenty magnetyczne, które ponownie, w rezultacie prowadzi do pojawienia się całkowitego pola magnetycznego B.
Większość znanych substancji jest słabo namagnesowana w polu magnetycznym, ale są też substancje, które wyróżniają się silnymi właściwościami magnetycznymi, są to tzw. ferromagnesy… Przykłady ferromagnesów: żelazo, kobalt, nikiel i ich stopy.
Ferromagnesy obejmują ciała stałe, które w niskich temperaturach mają spontaniczne (spontaniczne) namagnesowanie, które zmienia się znacznie pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego, odkształcenia mechanicznego lub zmieniającej się temperatury. Tak zachowują się stal i żelazo, nikiel i kobalt oraz stopy. Ich przenikalność magnetyczna jest tysiące razy większa niż w próżni.
Z tego powodu w elektrotechnice tradycyjnie stosuje się go do przewodzenia strumienia magnetycznego i przekształcania energii rdzenie magnetyczne wykonane z materiałów ferromagnetycznych.
W takich substancjach właściwości magnetyczne zależą od właściwości magnetycznych elementarnych nośników magnetyzmu — elektrony poruszające się wewnątrz atomów… Oczywiście elektrony poruszające się po orbitach w atomach wokół ich jąder tworzą prądy kołowe (dipole magnetyczne). Ale w tym przypadku elektrony również obracają się wokół swoich osi, tworząc spinowe momenty magnetyczne, które po prostu odgrywają główną rolę w magnesowaniu ferromagnesów.
Właściwości ferromagnetyczne przejawiają się tylko wtedy, gdy substancja jest w stanie krystalicznym. Ponadto właściwości te są silnie zależne od temperatury, ponieważ ruch termiczny uniemożliwia stabilną orientację elementarnych momentów magnetycznych. Tak więc dla każdego ferromagnesu określa się określoną temperaturę (punkt Curie), w której struktura namagnesowania ulega zniszczeniu i substancja staje się paramagnesem. Na przykład dla żelaza jest to 900 ° C.
Nawet w słabych polach magnetycznych ferromagnesy mogą zostać namagnesowane do nasycenia. Ponadto ich przenikalność magnetyczna zależy od wielkości przyłożonego zewnętrznego pola magnetycznego.
Na początku procesu namagnesowania indukcja magnetyczna B staje się silniejszy w ferromagnetyku, co oznacza przenikalność magnetyczna jest super.Ale kiedy pojawia się nasycenie, dalsze zwiększanie indukcji magnetycznej pola zewnętrznego nie prowadzi już do wzrostu pola magnetycznego ferromagnesu, a zatem przenikalność magnetyczna próbki spadła, teraz dąży do 1.
Ważną właściwością ferromagnesów jest reszta… Załóżmy, że w cewce umieszczono ferromagnetyczny pręt i zwiększając prąd w cewce, doprowadza się go do nasycenia. Następnie prąd w cewce został wyłączony, to znaczy usunięto pole magnetyczne cewki.
Będzie można zauważyć, że pręt nie jest rozmagnesowany do stanu, w jakim był na początku, jego pole magnetyczne będzie większe, czyli wystąpi indukcja szczątkowa. Pręt został obrócony w ten sposób do magnesu stałego.
Aby rozmagnesować taki pręt z powrotem, konieczne będzie przyłożenie do niego zewnętrznego pola magnetycznego o przeciwnym kierunku io indukcji równej indukcji szczątkowej. Wartość modułu indukcji pola magnetycznego, który należy przyłożyć do namagnesowanego ferromagnesu (magnesu stałego), aby go rozmagnesować, nazywa się siła przymusu.
Krzywe magnetyzacji (pętle histerezy) dla różnych materiałów ferromagnetycznych różnią się od siebie.
Niektóre materiały mają szerokie pętle histerezy — są to materiały o wysokim namagnesowaniu szczątkowym, nazywane są materiałami magnetycznie twardymi. Do produkcji magnesów trwałych stosuje się twarde materiały magnetyczne.
Wręcz przeciwnie, miękkie materiały magnetyczne mają wąską pętlę histerezy, niskie namagnesowanie szczątkowe i łatwo ulegają namagnesowaniu w słabych polach. Są to materiały magnetycznie miękkie, które są stosowane jako rdzenie magnetyczne transformatorów, stojanów silników itp.
Ferromagnesy odgrywają dziś bardzo ważną rolę w technice. Materiały magnetycznie miękkie (ferryty, stal elektrotechniczna) są stosowane w silnikach elektrycznych i generatorach, w transformatorach i dławikach, a także w radiotechnice. Ferryty są wykonane z rdzenie indukcyjne.
Do wytwarzania magnesów trwałych stosuje się materiały magnetycznie twarde (ferryty baru, kobaltu, strontu, neodymu-żelaza-boru). Magnesy trwałe są szeroko stosowane w instrumentach elektrycznych i akustycznych, silnikach i generatorach, kompasach magnetycznych itp.