Egenskaper til ferromagnetiske materialer og deres anvendelse i teknologi

Rundt en ledning med en elektrisk strøm, selv i et vakuum, er det magnetfelt… Og hvis et stoff introduseres i dette feltet, vil magnetfeltet endre seg, siden ethvert stoff i et magnetfelt magnetiseres, det vil si at det får et større eller mindre magnetisk moment, definert som summen av elementære magnetiske momenter assosiert med deler som utgjør stoffet.

Essensen av fenomenet ligger i det faktum at molekylene til mange stoffer har sine egne magnetiske momenter, fordi ladninger beveger seg inne i molekylene, som danner elementære sirkulære strømmer og derfor er ledsaget av magnetiske felt. Hvis det ikke påføres noe eksternt magnetfelt på stoffet, er de magnetiske momentene til molekylene tilfeldig orientert i rommet, og det totale magnetfeltet (så vel som det totale magnetiske momentet til molekylene) til en slik prøve vil være null.

Hvis prøven introduseres i et eksternt magnetfelt, vil orienteringen av de elementære magnetiske momentene til molekylene få en foretrukket retning under påvirkning av det eksterne feltet. Som et resultat vil det totale magnetiske momentet til stoffet ikke lenger være null, siden magnetfeltene til individuelle molekyler under nye forhold ikke kompenserer hverandre. Dermed utvikler stoffet et magnetfelt B.

Hvis molekylene til et stoff i utgangspunktet ikke har magnetiske momenter (det er slike stoffer), så når en slik prøve introduseres i et magnetfelt, induseres sirkulære strømmer i det, det vil si at molekylene får magnetiske momenter, som igjen, som et resultat, fører til utseendet av totalt magnetiske felt B.

De fleste kjente stoffene er svakt magnetisert i et magnetfelt, men det finnes også stoffer som utmerker seg ved sterke magnetiske egenskaper, de kalles ferromagneter… Eksempler på ferromagneter: jern, kobolt, nikkel og deres legeringer.

Ferromagneter inkluderer faste stoffer som ved lave temperaturer har en spontan (spontan) magnetisering som varierer betydelig under påvirkning av et eksternt magnetfelt, mekanisk deformasjon eller skiftende temperatur. Slik oppfører stål og jern, nikkel og kobolt og legeringer seg. Deres magnetiske permeabilitet er tusenvis av ganger høyere enn for vakuum.

Av denne grunn, i elektroteknikk, for å lede magnetisk fluks og for å konvertere energi, brukes det tradisjonelt magnetiske kjerner laget av ferromagnetiske materialer.

I slike stoffer avhenger de magnetiske egenskapene av de magnetiske egenskapene til de elementære bærerne av magnetisme - elektroner som beveger seg inne i atomer… Selvfølgelig, elektroner som beveger seg i baner i atomer rundt kjernene deres danner sirkulære strømmer (magnetiske dipoler). Men i dette tilfellet roterer elektronene også rundt sine akser, og skaper spinnmagnetiske momenter, som rett og slett spiller hovedrollen i magnetiseringen av ferromagneter.

Ferromagnetiske egenskaper manifesteres bare når stoffet er i en krystallinsk tilstand. I tillegg er disse egenskapene svært temperaturavhengige, da termisk bevegelse forhindrer stabil orientering av de elementære magnetiske momentene. Så for hver ferromagnet bestemmes en spesifikk temperatur (Curie-punkt) der magnetiseringsstrukturen blir ødelagt og stoffet blir en paramagnet. For jern er det for eksempel 900 ° C.

Selv i svake magnetiske felt kan ferromagneter magnetiseres til metning. Videre avhenger deres magnetiske permeabilitet av størrelsen på det påførte eksterne magnetfeltet.

I begynnelsen av magnetiseringsprosessen magnetisk induksjon B blir sterkere i en ferromagnetisk, som betyr magnetisk permeabilitet det er flott. Men når metning oppstår, fører ytterligere økning av den magnetiske induksjonen til det ytre feltet ikke lenger til en økning i magnetfeltet til ferromagneten, og derfor har den magnetiske permeabiliteten til prøven redusert, nå har den en tendens til 1.

En viktig egenskap ved ferromagneter er rest… Anta at en ferromagnetisk stav er plassert i spolen og ved å øke strømmen i spolen bringes den til metning. Da ble strømmen i spolen slått av, det vil si at magnetfeltet til spolen ble fjernet.

Det vil være mulig å legge merke til at stangen ikke er avmagnetisert til tilstanden den var i i begynnelsen, dens magnetiske felt vil være større, det vil si at det vil være en gjenværende induksjon. Stangen ble rotert på denne måten til en permanent magnet.

For å avmagnetisere en slik stang tilbake, vil det være nødvendig å påføre den et eksternt magnetfelt med motsatt retning og med en induksjon lik gjenværende induksjon. Verdien av modulen for magnetfeltinduksjon som må påføres en magnetisert ferromagnet (permanent magnet) for å avmagnetisere den kalles tvangskraft.

Fenomenet når induksjonen i den under magnetiseringen av en ferromagnet henger etter induksjonen av det påførte magnetfeltet kalles magnetisk hysterese (se - Hva er hysterese).

Magnetiseringskurver (hystereseløkker) for forskjellige ferromagnetiske materialer skiller seg fra hverandre.

Noen materialer har brede hystereseløkker - dette er materialer med høy restmagnetisering, de kalles magnetisk harde materialer. Harde magnetiske materialer brukes til fremstilling av permanente magneter.

Tvert imot har myke magnetiske materialer en smal hysteresesløyfe, lav restmagnetisering og magnetiseres lett i svake felt. Dette er myke magnetiske materialer som brukes som magnetiske kjerner til transformatorer, motorstatorer, etc.

Ferromagneter spiller en svært viktig rolle i teknologien i dag. Myke magnetiske materialer (ferritter, elektrisk stål) brukes i elektriske motorer og generatorer, i transformatorer og choker, samt i radioteknikk. Ferritter er laget av induktorkjerner.

Harde magnetiske materialer (ferritter av barium, kobolt, strontium, neodym-jern-bor) brukes til å lage permanente magneter. Permanente magneter er mye brukt i elektriske og akustiske instrumenter, i motorer og generatorer, i magnetiske kompasser, etc.