Μαγνητισμός και μαγνητικά υλικά
Η παρουσία μιας ουσίας με μαγνητικές ιδιότητες εκδηλώνεται με αλλαγή των παραμέτρων του μαγνητικού πεδίου σε σύγκριση με το πεδίο στο μη μαγνητικό χώρο. Οι φυσικές διεργασίες που συμβαίνουν στη μικροσκοπική αναπαράσταση σχετίζονται με την εμφάνιση στο υλικό υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου μαγνητικών ροπών μικρορευμάτων, η πυκνότητα όγκου του οποίου ονομάζεται διάνυσμα μαγνήτισης.
Η εμφάνιση μαγνήτισης στην ουσία όταν την τοποθετείτε μέσα μαγνητικό πεδίο εξηγείται από τη διαδικασία των μαγνητικών ροπών βαθμιαίου προτιμησιακού προσανατολισμού που κυκλοφορούν σε αυτό μικρορεύματα προς την κατεύθυνση του πεδίου. Μια τεράστια συμβολή στη δημιουργία μικρορευμάτων στην ουσία είναι η κίνηση των ηλεκτρονίων: περιστροφή και τροχιακή κίνηση ηλεκτρονίων που σχετίζονται με άτομα, σπιν και ελεύθερη κίνηση ηλεκτρονίων αγωγιμότητας.
Σύμφωνα με τις μαγνητικές τους ιδιότητες, όλα τα υλικά χωρίζονται σε παραμαγνήτες, διαμαγνήτες, σιδηρομαγνήτες, αντισιδηρομαγνήτες και φερρίτες... Η αναγωγή ενός υλικού σε μια ή την άλλη κατηγορία καθορίζεται από τη φύση της αντίδρασης των μαγνητικών ροπών των ηλεκτρονίων σε μια μαγνητική πεδίου υπό συνθήκες ισχυρών αλληλεπιδράσεων ηλεκτρονίων μεταξύ τους σε άτομα πολυηλεκτρονίων και κρυσταλλικές δομές.
Οι διαμαγνήτες και οι παραμαγνήτες είναι ασθενώς μαγνητικά υλικά. Ένα πολύ ισχυρότερο φαινόμενο μαγνήτισης παρατηρείται στους σιδηρομαγνήτες.
Η μαγνητική επιδεκτικότητα (ο λόγος των απόλυτων τιμών των διανυσμάτων μαγνήτισης και έντασης πεδίου) για τέτοια υλικά είναι θετική και μπορεί να φτάσει αρκετές δεκάδες χιλιάδες. Στους σιδηρομαγνήτες, σχηματίζονται περιοχές αυθόρμητης μονοκατευθυντικής μαγνήτισης - τομείς -.
Σιδηρομαγνητισμός παρατηρείται σε κρυστάλλους μετάλλων μεταπτώσεως: σίδηρο, κοβάλτιο, νικέλιο και πλήθος κραμάτων.
Όταν εφαρμόζεται ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο αυξανόμενης ισχύος, τα διανύσματα αυθόρμητης μαγνήτισης, αρχικά προσανατολισμένα σε διαφορετικές περιοχές με διαφορετικούς τρόπους, ευθυγραμμίζονται σταδιακά προς την ίδια κατεύθυνση. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται τεχνική μαγνήτιση… Χαρακτηρίζεται από μια αρχική καμπύλη μαγνήτισης—την εξάρτηση της επαγωγής ή της μαγνήτισης από την ένταση του μαγνητικού πεδίου που προκύπτει στο υλικό.
Με σχετικά μικρή ένταση πεδίου (Ενότητα Ι) υπάρχει ταχεία αύξηση της μαγνήτισης, κυρίως λόγω της αύξησης του μεγέθους των περιοχών με τον προσανατολισμό μαγνήτισης στο θετικό ημισφαίριο των κατευθύνσεων των διανυσμάτων έντασης πεδίου. Ταυτόχρονα, τα μεγέθη των περιοχών στο αρνητικό ημισφαίριο μειώνονται αναλογικά.Σε μικρότερο βαθμό, οι διαστάσεις αυτών των περιοχών αλλάζουν, η μαγνήτιση των οποίων προσανατολίζεται πιο κοντά στο επίπεδο που είναι ορθογώνιο προς το διάνυσμα της έντασης.
Με μια περαιτέρω αύξηση στην ένταση, κυριαρχούν οι διαδικασίες περιστροφής των διανυσμάτων μαγνήτισης περιοχής κατά μήκος του πεδίου (τμήμα II) μέχρι να επιτευχθεί ο τεχνικός κορεσμός (σημείο S). Η επακόλουθη αύξηση της προκύπτουσας μαγνήτισης και η επίτευξη του ίδιου προσανατολισμού όλων των περιοχών στο πεδίο εμποδίζεται από τη θερμική κίνηση των ηλεκτρονίων. Η περιοχή III είναι παρόμοια στη φύση με τις παραμαγνητικές διεργασίες, όπου η αύξηση της μαγνήτισης οφείλεται στον προσανατολισμό των λίγων περιστροφικών μαγνητικών ροπών που αποπροσανατολίζονται από τη θερμική κίνηση.Με την αύξηση της θερμοκρασίας, η αποπροσανατολιστική θερμική κίνηση αυξάνεται και η μαγνήτιση της ουσίας μειώνεται.
Για ένα δεδομένο σιδηρομαγνητικό υλικό, υπάρχει μια ορισμένη θερμοκρασία στην οποία η σιδηρομαγνητική διάταξη της δομής της περιοχής και η μαγνήτιση εξαφανίζονται. Το υλικό γίνεται παραμαγνητικό. Αυτή η θερμοκρασία ονομάζεται σημείο Κιουρί. Για το σίδηρο, το σημείο Curie αντιστοιχεί σε 790 ° C, για το νικέλιο - 340 ° C, για το κοβάλτιο - 1150 ° C.
Η μείωση της θερμοκρασίας κάτω από το σημείο Κιουρί αποκαθιστά ξανά τις μαγνητικές ιδιότητες του υλικού: τη δομή του τομέα με μηδενική μαγνήτιση δικτύου εάν δεν υπάρχει εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Ως εκ τούτου, τα προϊόντα θέρμανσης από σιδηρομαγνητικά υλικά πάνω από το σημείο Κιουρί χρησιμοποιούνται για την πλήρη απομαγνήτισή τους.
Αρχική καμπύλη μαγνήτισης
Διαδικασίες μαγνήτισης σιδηρομαγνητικών υλικών χωρίζονται σε αναστρέψιμες και μη αναστρέψιμες σε σχέση με την αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο.Εάν, μετά την άρση των διαταραχών του εξωτερικού πεδίου, η μαγνήτιση του υλικού επανέλθει στην αρχική του κατάσταση, τότε αυτή η διαδικασία είναι αναστρέψιμη, διαφορετικά είναι μη αναστρέψιμη.
Παρατηρούνται αναστρέψιμες αλλαγές σε ένα μικρό αρχικό τμήμα της καμπύλης μαγνήτισης του τμήματος Ι (ζώνη Rayleigh) σε μικρές μετατοπίσεις των τοιχωμάτων της περιοχής και στις περιοχές II, III όταν τα διανύσματα μαγνήτισης στις περιοχές περιστρέφονται. Το κύριο μέρος της Ενότητας Ι ασχολείται με μια μη αναστρέψιμη διαδικασία αντιστροφής της μαγνήτισης, η οποία καθορίζει κυρίως τις ιδιότητες υστέρησης των σιδηρομαγνητικών υλικών (καθυστέρηση αλλαγών στη μαγνήτιση από αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο).
Ο βρόχος υστέρησης ονομάζεται καμπύλες που αντανακλούν την αλλαγή στη μαγνήτιση ενός σιδηρομαγνήτη υπό την επίδραση ενός κυκλικά μεταβαλλόμενου εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.
Κατά τη δοκιμή μαγνητικών υλικών, κατασκευάζονται βρόχοι υστέρησης για τις συναρτήσεις των παραμέτρων του μαγνητικού πεδίου B (H) ή M (H), οι οποίες έχουν την έννοια των παραμέτρων που λαμβάνονται μέσα στο υλικό σε μια προβολή σε σταθερή κατεύθυνση. Εάν το υλικό προηγουμένως είχε απομαγνητιστεί πλήρως, τότε μια σταδιακή αύξηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου από το μηδέν στο Hs δίνει πολλά σημεία από την αρχική καμπύλη μαγνήτισης (Ενότητα 0-1).
Σημείο 1 — σημείο τεχνικού κορεσμού (Bs, Hs). Η επακόλουθη μείωση της δύναμης H στο εσωτερικό του υλικού στο μηδέν (Τμήμα 1-2) καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό της οριακής (μέγιστης) τιμής της υπολειπόμενης μαγνήτισης Br και περαιτέρω μείωση της έντασης αρνητικού πεδίου για να επιτευχθεί πλήρης απομαγνήτιση B = 0 ( τμήμα 2-3) στο σημείο H = -HcV - η μέγιστη δύναμη καταναγκασμού κατά τη μαγνήτιση.
Επιπλέον, το υλικό μαγνητίζεται στην αρνητική κατεύθυνση προς τον κορεσμό (Ενότητα 3-4) σε H = — Hs. Μια αλλαγή στην ένταση του πεδίου σε θετική κατεύθυνση κλείνει τον περιοριστικό βρόχο υστέρησης κατά μήκος της καμπύλης 4-5-6-1.
Πολλές υλικές καταστάσεις εντός του οριακού κύκλου υστέρησης μπορούν να επιτευχθούν αλλάζοντας την ένταση του μαγνητικού πεδίου που αντιστοιχεί στους κύκλους μερικής συμμετρικής και ασύμμετρης υστέρησης.
Μαγνητική υστέρηση: 1 — αρχική καμπύλη μαγνήτισης. 2 — οριακός κύκλος υστέρησης. 3 — καμπύλη της κύριας μαγνήτισης. 4 — συμμετρικοί μερικοί κύκλοι. 5 — ασύμμετροι μερικοί βρόχοι
Οι μερικώς συμμετρικοί κύκλοι υστέρησης στηρίζουν τις κορυφές τους στην κύρια καμπύλη μαγνήτισης, η οποία ορίζεται ως το σύνολο των κορυφών αυτών των κύκλων μέχρι να συμπέσουν με τον οριακό κύκλο.
Οι βρόχοι μερικής ασύμμετρης υστέρησης σχηματίζονται εάν το σημείο εκκίνησης δεν βρίσκεται στην κύρια καμπύλη μαγνήτισης με συμμετρική αλλαγή στην ένταση του πεδίου, καθώς και με ασύμμετρη αλλαγή στην ένταση του πεδίου στη θετική ή αρνητική κατεύθυνση.
Ανάλογα με τις τιμές της δύναμης καταναγκασμού, τα σιδηρομαγνητικά υλικά χωρίζονται σε μαγνητικά μαλακά και μαγνητικά σκληρά.
Τα μαλακά μαγνητικά υλικά χρησιμοποιούνται σε μαγνητικά συστήματα ως μαγνητικοί πυρήνες... Αυτά τα υλικά έχουν χαμηλή δύναμη καταναγκασμού, υψηλή μαγνητική διαπερατότητα και επαγωγή κορεσμού.
Τα σκληρά μαγνητικά υλικά έχουν μεγάλη καταναγκαστική δύναμη και σε προμαγνητισμένη κατάσταση χρησιμοποιούνται ως μόνιμοι μαγνήτες — Πρωτεύουσες πηγές μαγνητικού πεδίου.
Υπάρχουν υλικά στα οποία ανήκουν, σύμφωνα με τις μαγνητικές τους ιδιότητες, οι αντισιδηρομαγνήτες... Η αντιπαράλληλη διάταξη των σπιν γειτονικών ατόμων αποδεικνύεται ενεργειακά πιο ευνοϊκή για αυτά. Έχουν δημιουργηθεί αντισιδηρομαγνήτες που έχουν σημαντική εγγενή μαγνητική ροπή λόγω ασυμμετρίας κρυσταλλικού πλέγματος... Τέτοια υλικά ονομάζονται σιδηρομαγνήτες (φερρίτες)... Σε αντίθεση με τα μεταλλικά σιδηρομαγνητικά υλικά, οι φερρίτες είναι ημιαγωγοί και έχουν σημαντικά μικρότερες απώλειες ενέργειας για δινορεύματα σε εναλλασσόμενα μαγνητικά πεδία.
Καμπύλες μαγνήτισης διαφόρων σιδηρομαγνητικών υλικών