ФЕРРОМАГНЕТИЗМ: МАТЕРИАЛЫ, ПРИЛОЖЕНИЯ И ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Ферромагнетизма этого свойство , которое дает некоторым веществам интенсивному и постоянный магнитный отклик. В природе существует пять элементов с этим свойством: железо, кобальт, никель, гадолиний и диспрозий, последние редкоземельные элементы.

В присутствии внешнего магнитного поля, например, создаваемого естественным магнитом или электромагнитом, вещество реагирует характерным образом в соответствии с его внутренней конфигурацией. Величина, которая количественно характеризует этот отклик, - это магнитная проницаемость.

Магниты, образующие мост. Источник: Pixabay

Магнитная проницаемость - это безразмерная величина, определяемая как отношение напряженности магнитного поля, создаваемого внутри материала, к напряженности магнитного поля, приложенного извне.

Когда этот ответ намного больше 1, материал классифицируется как ферромагнитный. С другой стороны, если проницаемость не намного больше 1, магнитный отклик считается более слабым, это парамагнитные материалы.

В железе магнитная проницаемость порядка 10 ⁴ . Это означает, что поле внутри железа примерно в 10 000 раз больше, чем поле, приложенное извне. Это дает представление о том, насколько мощный магнитный отклик этого минерала.

Как магнитный отклик возникает внутри веществ?

Известно, что магнетизм - это эффект, связанный с движением электрических зарядов. Именно из этого состоит электрический ток. Откуда же тогда берутся магнитные свойства стержневого магнита, которым на холодильник наклеена банкнота?

Материал магнита, а также любое другое вещество содержит внутри протоны и электроны, которые имеют собственное движение и по-разному генерируют электрические токи.

Очень упрощенная модель предполагает, что электрон движется по круговой орбите вокруг ядра, состоящего из протонов и нейтронов, образуя таким образом крошечную петлю тока. Каждая петля связана с векторной величиной, называемой «орбитальным магнитным моментом», интенсивность которой определяется произведением силы тока на площадь, определяемую петлей: магнетон Бора.

Конечно, в этой маленькой петле ток зависит от заряда электрона. Поскольку все вещества содержат электроны внутри, все они в принципе могут проявлять магнитные свойства. Однако не все из них.

Это потому, что его магнитные моменты не выровнены, а расположены внутри случайным образом, так что его макроскопические магнитные эффекты нейтрализуются.

На этом история не заканчивается. Произведение магнитного момента движения электрона вокруг ядра - не единственный возможный источник магнетизма в этом масштабе.

Электрон совершает своего рода вращательное движение вокруг своей оси. Это эффект, который выражается во внутреннем угловом моменте. Это свойство называется спином электрона.

Естественно, у него также есть связанный магнитный момент, и он намного сильнее орбитального момента. Фактически, наибольший вклад в суммарный магнитный момент атома вносит спин, однако оба магнитных момента: трансляционный и собственный угловой момент вносят вклад в общий магнитный момент атома.

Эти магнитные моменты имеют тенденцию выравниваться в присутствии внешнего магнитного поля. И они также делают это с полями, созданными соседними моментами в материале.

Итак, электроны обычно объединяются в атомы со многими электронами. Между электронами с противоположным спином образуются пары, в результате чего спиновый магнитный момент компенсируется.

Единственный способ, которым спин вносит вклад в общий магнитный момент, - это если один из них не является парным, то есть атом имеет нечетное количество электронов.

А как насчет магнитного момента протонов в ядре? Ну, у них тоже есть спиновый момент, но считается, что он не вносит значительный вклад в магнетизм атома. Это связано с тем, что спиновой момент обратно пропорционален массе, а масса протона намного больше, чем масса электрона.

Магнитные домены

В железе, кобальте и никеле, триаде элементов с большим магнитным откликом, суммарный спиновый момент, создаваемый электронами, не равен нулю. В этих металлах электроны на 3d-орбитали, крайние из них, являются которые вносят вклад в чистый магнитный момент. Вот почему такие материалы считаются ферромагнитными.

Однако этого индивидуального магнитного момента каждого атома недостаточно, чтобы объяснить поведение ферромагнетиков.

Внутри сильно магнитных материалов есть области, называемые магнитными доменами , протяженность которых может варьироваться от 10 ^-4 до 10 ^-1 см и которые содержат миллиарды атомов. В этих областях чистые спиновые моменты соседних атомов становятся тесно связанными.

Когда материал с магнитными доменами приближается к магниту, домены выравниваются друг с другом, усиливая магнитный эффект.

Это потому, что домены, как стержневые магниты, имеют магнитные полюса, одинаково обозначаемые как север, так и юг, так что подобные полюса отталкиваются, а противоположности притягиваются.

Когда домены выравниваются с внешним полем, материал издает трескающие звуки, которые можно услышать при соответствующем усилении.

Этот эффект можно увидеть, когда магнит притягивает гвозди из мягкого железа, а они, в свою очередь, ведут себя как магниты, притягивающие другие гвозди.

Магнитные домены - это не статические границы, установленные внутри материала. Его размер можно изменить, охлаждая или нагревая материал, а также подвергая его воздействию внешних магнитных полей.

Однако рост домена не безграничен. В момент, когда их невозможно выровнять, говорят, что точка насыщения материала достигнута. Этот эффект отражен на приведенных ниже кривых гистерезиса.

Нагрев материала приводит к потере выравнивания магнитных моментов. Температура, при которой полностью теряется намагниченность, различается в зависимости от типа материала, для стержневого магнита она обычно теряется при температуре около 770 ° C.

После удаления магнита намагниченность гвоздей теряется из-за постоянно присутствующего теплового волнения. Но есть и другие соединения, которые имеют постоянную намагниченность, потому что у них есть спонтанно ориентированные домены.

Магнитные домены можно наблюдать, когда плоская область немагнитного ферромагнитного материала, такого как мягкое железо, очень хорошо разрезана и отполирована. Как только это будет сделано, его присыпают порошком или мелкой железной стружкой.

Под микроскопом наблюдается, что стружки группируются на участках формирования минералов с очень четко определенной ориентацией, следуя магнитным доменам материала.

Различие в поведении разных магнитных материалов связано с тем, как ведут себя домены внутри них.

Магнитный гистерезис

Магнитный гистерезис - это характеристика, которой обладают только материалы с высокой магнитной проницаемостью. Его нет в парамагнитных или диамагнитных материалах.

Он представляет собой влияние приложенного внешнего магнитного поля, которое обозначается как H, на магнитную индукцию B ферромагнитного металла во время цикла намагничивания и размагничивания. Показанный график называется кривой гистерезиса.

Цикл ферромагнитного гистерезиса

Первоначально в точке O нет приложенного поля H или магнитного отклика B , но по мере увеличения интенсивности H индукция B постепенно увеличивается до достижения величины насыщения B _s в точке A, что и ожидается.

Теперь интенсивность H постепенно уменьшается, пока не станет равной 0, при этом мы достигаем точки C, однако магнитный отклик материала не исчезает, сохраняя остаточную намагниченность, обозначенную значением B _r . Это означает, что процесс необратим.

Отсюда интенсивность H увеличивается, но с обратной полярностью (отрицательный знак), так что остаточная намагниченность отменяется в точке D. Необходимое значение H обозначается как H _c и называется коэрцитивным полем .

Величина H увеличивается, пока снова не достигнет значения насыщения в точке E, и сразу же интенсивность H уменьшается, пока не достигнет 0, но остается остаточная намагниченность с полярностью, противоположной ранее описанной, в точке F.

Теперь полярность H снова меняется на противоположную, и ее величина увеличивается до тех пор, пока магнитный отклик материала в точке G не будет отменен. Следуя пути GA, снова достигается его насыщение. Но что интересно, вы не попали туда по первоначальному пути, указанному красными стрелками.

Магнитотвердые и мягкие материалы: применение

Мягкое железо легче намагнитить, чем сталь, и постукивание по материалу еще больше облегчает выравнивание доменов.

Когда материал легко намагничивается и размагничивается, он считается магнитомягким , и, конечно, если происходит обратное, это магнитотвердый материал . В последнем случае магнитные домены малы, а в первом они большие, поэтому их можно увидеть в микроскоп, как описано выше.

Площадь, ограниченная кривой гистерезиса, является мерой энергии, необходимой для намагничивания - размагничивания материала. На рисунке показаны две кривые гистерезиса для двух разных материалов. Тот, что слева, магнитно-мягкий, а тот, что справа, жесткий.

Мягкий ферромагнитный материал имеет небольшое коэрцитивное поле H _c и высокую узкую кривую гистерезиса. Это подходящий материал для сердечника электрического трансформатора. Примерами их являются мягкое железо, кремний-железные и железоникелевые сплавы, используемые для оборудования связи.

С другой стороны, магнитотвердые материалы трудно размагнитить после намагничивания, как в случае с алнико-сплавами (алюминий-никель-кобальт) и редкоземельными сплавами, из которых сделаны постоянные магниты.

Ссылки

1. Айсберг Р. 1978. Квантовая физика. Limusa. 557-577.
2. Янг, Хью. 2016. Физика Университета Сирса-Земанского с современной физикой. 14-е изд. Пирсон. +943.
3. Сапата, Ф. (2003). Изучение минералогии нефтяной скважины Guafita 8x, принадлежащей месторождению Guafita (штат Апуре), с использованием измерений магнитной восприимчивости и спектроскопии Мёссбауэра. Дипломная работа. Центральный университет Венесуэлы.