Ιδιότητες σιδηρομαγνητικών υλικών και εφαρμογή τους στην τεχνολογία

Γύρω από ένα καλώδιο με ηλεκτρικό ρεύμα, ακόμη και σε κενό, υπάρχει μαγνητικό πεδίοΚαι αν μια ουσία εισαχθεί σε αυτό το πεδίο, τότε το μαγνητικό πεδίο θα αλλάξει, αφού οποιαδήποτε ουσία σε ένα μαγνητικό πεδίο μαγνητίζεται, δηλαδή αποκτά μεγαλύτερη ή μικρότερη μαγνητική ροπή, που ορίζεται ως το άθροισμα των στοιχειωδών μαγνητικών ροπών που σχετίζονται με μέρη που απαρτίζουν αυτή την ουσία.

Η ουσία του φαινομένου έγκειται στο γεγονός ότι τα μόρια πολλών ουσιών έχουν τις δικές τους μαγνητικές ροπές, επειδή μέσα στα μόρια κινούνται φορτία, τα οποία σχηματίζουν στοιχειώδη κυκλικά ρεύματα και επομένως συνοδεύονται από μαγνητικά πεδία. Εάν δεν εφαρμόζεται εξωτερικό μαγνητικό πεδίο στην ουσία, οι μαγνητικές ροπές των μορίων της προσανατολίζονται τυχαία στο χώρο και το συνολικό μαγνητικό πεδίο (καθώς και η συνολική μαγνητική ροπή των μορίων) ενός τέτοιου δείγματος θα είναι μηδέν.

Εάν το δείγμα εισαχθεί σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, τότε ο προσανατολισμός των στοιχειωδών μαγνητικών ροπών των μορίων του θα αποκτήσει μια προτιμώμενη κατεύθυνση υπό την επίδραση του εξωτερικού πεδίου. Ως αποτέλεσμα, η συνολική μαγνητική ροπή της ουσίας δεν θα είναι πλέον μηδενική, αφού τα μαγνητικά πεδία μεμονωμένων μορίων υπό νέες συνθήκες δεν αντισταθμίζουν το ένα το άλλο. Έτσι, η ουσία αναπτύσσει ένα μαγνητικό πεδίο Β.

Εάν τα μόρια μιας ουσίας αρχικά δεν έχουν μαγνητικές ροπές (υπάρχουν τέτοιες ουσίες), τότε όταν ένα τέτοιο δείγμα εισάγεται σε μαγνητικό πεδίο, επάγονται κυκλικά ρεύματα σε αυτό, δηλαδή τα μόρια αποκτούν μαγνητικές ροπές, οι οποίες πάλι, ως αποτέλεσμα, οδηγεί στην εμφάνιση ολικών μαγνητικών πεδίων Β.

Οι περισσότερες από τις γνωστές ουσίες μαγνητίζονται ασθενώς σε ένα μαγνητικό πεδίο, αλλά υπάρχουν και ουσίες που διακρίνονται από ισχυρές μαγνητικές ιδιότητες, ονομάζονται σιδηρομαγνήτες… Παραδείγματα σιδηρομαγνητών: σίδηρος, κοβάλτιο, νικέλιο και τα κράματά τους.

Οι σιδηρομαγνήτες περιλαμβάνουν στερεά που σε χαμηλές θερμοκρασίες έχουν αυθόρμητη (αυθόρμητη) μαγνήτιση που ποικίλλει σημαντικά υπό την επίδραση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, μηχανικής παραμόρφωσης ή μεταβαλλόμενης θερμοκρασίας. Έτσι συμπεριφέρονται ο χάλυβας και ο σίδηρος, το νικέλιο και το κοβάλτιο και τα κράματα. Η μαγνητική τους διαπερατότητα είναι χιλιάδες φορές μεγαλύτερη από αυτή του κενού.

Για το λόγο αυτό, στην ηλεκτρική μηχανική, για τη διεξαγωγή μαγνητικής ροής και τη μετατροπή ενέργειας, χρησιμοποιείται παραδοσιακά μαγνητικούς πυρήνες από σιδηρομαγνητικά υλικά.

Σε τέτοιες ουσίες, οι μαγνητικές ιδιότητες εξαρτώνται από τις μαγνητικές ιδιότητες των στοιχειωδών φορέων του μαγνητισμού — ηλεκτρόνια που κινούνται μέσα στα άτομα… Φυσικά, τα ηλεκτρόνια που κινούνται σε τροχιές σε άτομα γύρω από τους πυρήνες τους σχηματίζουν κυκλικά ρεύματα (μαγνητικά δίπολα). Αλλά σε αυτή την περίπτωση, τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται επίσης γύρω από τους άξονές τους, δημιουργώντας μαγνητικές ροπές σπιν, που απλώς παίζουν τον κύριο ρόλο στη μαγνήτιση των σιδηρομαγνητών.

Οι σιδηρομαγνητικές ιδιότητες εκδηλώνονται μόνο όταν η ουσία βρίσκεται σε κρυσταλλική κατάσταση. Επιπλέον, αυτές οι ιδιότητες εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία, καθώς η θερμική κίνηση εμποδίζει τον σταθερό προσανατολισμό των στοιχειωδών μαγνητικών ροπών. Έτσι, για κάθε σιδηρομαγνήτη, προσδιορίζεται μια συγκεκριμένη θερμοκρασία (σημείο Curie) στην οποία καταστρέφεται η δομή μαγνήτισης και η ουσία γίνεται παραμαγνήτης. Για παράδειγμα, για το σίδηρο είναι 900 ° C.

Ακόμη και σε ασθενή μαγνητικά πεδία, οι σιδηρομαγνήτες μπορούν να μαγνητιστούν μέχρι κορεσμού. Επιπλέον, η μαγνητική τους διαπερατότητα εξαρτάται από το μέγεθος του εφαρμοζόμενου εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.

Στην αρχή της διαδικασίας μαγνήτισης μαγνητική επαγωγή Β γίνεται ισχυρότερο σε ένα σιδηρομαγνητικό, που σημαίνει μαγνητική διαπερατότητα Είναι υπέροχο. Αλλά όταν συμβαίνει κορεσμός, η περαιτέρω αύξηση της μαγνητικής επαγωγής του εξωτερικού πεδίου δεν οδηγεί πλέον σε αύξηση του μαγνητικού πεδίου του σιδηρομαγνήτη και επομένως η μαγνητική διαπερατότητα του δείγματος έχει μειωθεί, τώρα τείνει στο 1.

Μια σημαντική ιδιότητα των σιδηρομαγνητών είναι υπόλοιπο… Ας υποθέσουμε ότι μια σιδηρομαγνητική ράβδος είναι τοποθετημένη στο πηνίο και αυξάνοντας το ρεύμα στο πηνίο έρχεται σε κορεσμό. Στη συνέχεια, το ρεύμα στο πηνίο απενεργοποιήθηκε, αφαιρέθηκε δηλαδή το μαγνητικό πεδίο του πηνίου.

Θα είναι δυνατό να παρατηρήσετε ότι η ράβδος δεν έχει απομαγνητιστεί στην κατάσταση στην οποία βρισκόταν στην αρχή, το μαγνητικό της πεδίο θα είναι μεγαλύτερο, δηλαδή θα υπάρχει μια υπολειμματική επαγωγή. Η ράβδος περιστρεφόταν με αυτόν τον τρόπο σε μόνιμο μαγνήτη.

Για να απομαγνητιστεί μια τέτοια ράβδος πίσω, θα χρειαστεί να εφαρμοστεί σε αυτήν ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο με αντίθετη κατεύθυνση και με επαγωγή ίση με την υπολειπόμενη επαγωγή. Η τιμή του συντελεστή επαγωγής του μαγνητικού πεδίου που πρέπει να εφαρμοστεί σε έναν μαγνητισμένο σιδηρομαγνήτη (μόνιμο μαγνήτη) για να απομαγνητιστεί ονομάζεται καταναγκαστική δύναμη.

Το φαινόμενο όταν κατά τη μαγνήτιση ενός σιδηρομαγνήτη η επαγωγή σε αυτόν υστερεί σε σχέση με την επαγωγή του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου ονομάζεται μαγνητική υστέρηση (βλέπω - Τι είναι η υστέρηση).

Οι καμπύλες μαγνήτισης (βρόχοι υστέρησης) για διαφορετικά σιδηρομαγνητικά υλικά διαφέρουν μεταξύ τους.

Ορισμένα υλικά έχουν μεγάλους βρόχους υστέρησης — αυτά είναι υλικά με υψηλή υπολειμματική μαγνήτιση, ονομάζονται μαγνητικά σκληρά υλικά. Για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών χρησιμοποιούνται σκληρά μαγνητικά υλικά.

Αντίθετα, τα μαλακά μαγνητικά υλικά έχουν στενό βρόχο υστέρησης, χαμηλή υπολειπόμενη μαγνήτιση και μαγνητίζονται εύκολα σε ασθενή πεδία. Πρόκειται για μαλακά μαγνητικά υλικά που χρησιμοποιούνται ως μαγνητικοί πυρήνες μετασχηματιστών, στάτορες κινητήρα κ.λπ.

Οι σιδηρομαγνήτες παίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στην τεχνολογία σήμερα. Τα μαλακά μαγνητικά υλικά (φερρίτες, ηλεκτρικός χάλυβας) χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρικούς κινητήρες και γεννήτριες, σε μετασχηματιστές και τσοκ, καθώς και στη ραδιομηχανική. Οι φερρίτες αποτελούνται από επαγωγικούς πυρήνες.

Σκληρά μαγνητικά υλικά (φερρίτες βαρίου, κοβαλτίου, στροντίου, νεοδύμιο-σίδηρος-βόριο) χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών. Οι μόνιμοι μαγνήτες χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικά και ακουστικά όργανα, σε κινητήρες και γεννήτριες, σε μαγνητικές πυξίδες κ.λπ.