- Hogyan származik a mágneses válasz az anyagokon belül?
- A mágneses domének
- Mágneses hiszterézis
- Mágnesesen kemény és lágy anyagok: alkalmazások
- Irodalom
A ferromágnesesség az a tulajdonság, amely egyes anyagoknak intenzív és állandó mágneses választ ad. A természetben öt elem van ezzel a tulajdonsággal: vas, kobalt, nikkel, gadolinium és diszprózium, ez utóbbi ritkaföldfémek.
Külső mágneses mező jelenlétében, például egy természetes mágnes vagy elektromágnes által létrehozott anyag jelenlétében az anyag jellegzetes módon reagál, belső konfigurációja szerint. A válasz nagyságrendje a mágneses permeabilitás.
Hidakat alkotó mágnesek. Forrás: Pixabay
A mágneses permeabilitás egy olyan méret nélküli mennyiség, amelyet az anyag belsejében képződött mágneses erő intenzitása és a külső mágneses erő intenzitása hányadosa adja meg.
Ha ez a válasz sokkal nagyobb, mint 1, akkor az anyagot ferromágnesesnek kell besorolni. Másrészt, ha a permeabilitás nem sokkal nagyobb, mint 1, akkor a mágneses reakciót gyengébbnek tekintik, ezek paramágneses anyagok.
Vasban a mágneses permeabilitás 10 4 nagyságrendű. Ez azt jelenti, hogy a vasban lévő mező körülbelül 10 000-szer nagyobb, mint a külső felület. Amely képet ad arról, hogy ennek az ásványnak milyen erős a mágneses válasz.
Hogyan származik a mágneses válasz az anyagokon belül?
A mágnesességről ismert, hogy az elektromos töltések mozgásával jár. Pontosan erről áll az elektromos áram. Honnan származnak a rúdmágnesek mágneses tulajdonságai, amelyekhez egy jegyzet ragadt a hűtőszekrényre?
A mágnes anyaga és minden más anyag olyan protonokat és elektronokat tartalmaz, amelyeknek saját mozgása van, és különböző módon generálnak elektromos áramot.
Egy nagyon egyszerűsített modell feltételezi, hogy az elektron kör alakú pályán helyezkedik el a protonokból és neutronokból álló mag körül, és ezáltal apró áramlási hurkot képez. Mindegyik hurkot egy "orbitális mágneses momentumnak" nevezett vektor-nagysággal társítják, amelynek intenzitását az áram és a hurok által meghatározott terület szorzata adja meg: a Bohr-magneton.
Természetesen ebben a kis hurokban az áram az elektron töltésétől függ. Mivel minden anyag belsejében elektronokat tartalmaz, elvileg mindegyiknek lehetősége van mágneses tulajdonságok kifejezésére. De nem mindegyikük teszi meg.
Ennek oka az, hogy a mágneses momentumai nem igazodnak egymáshoz, hanem véletlenszerűen vannak elrendezve belülre oly módon, hogy makroszkopikus mágneses hatásai kikapcsolódjanak.
A történet itt nem ér véget. A atommag körüli elektronmozgás mágneses momentuma szorzata nem az egyetlen lehetséges mágneses forrás ezen a skálán.
Az elektronnak egyfajta forgási mozgása van a tengelye körül. Ez egy olyan hatás, amely egy belső szögmozgássá vált. Ezt a tulajdonságot elektron spinnek hívják.
Természetesen hozzárendelt mágneses momentummal rendelkezik és sokkal erősebb, mint a keringési momentum. Valójában az atom nettó mágneses momentumához való legnagyobb hozzájárulás a spin révén történik, azonban mindkét mágneses momentum: a transzláció plusz a belső szögmozgás impulzusa hozzájárul az atom teljes mágneses momentumához.
Ezeket a mágneses momentumokat hajlamos igazítani egy külső mágneses mező jelenlétében. És az anyagban a szomszédos pillanatok által létrehozott mezőkkel is megteszik.
Az elektronok általában atomokban párosulnak és sok elektronmal párosulnak. Párokat képeznek az ellentétes spinnel rendelkező elektronok között, aminek eredményeként a spin mágneses momentuma megszűnik.
A centrifugálás csak akkor járul hozzá a teljes mágneses momentumhoz, ha egyikük nem páros, azaz az atom páratlan számú elektronot tartalmaz.
Mi a helyzet a protonok mágneses pillanatával a magban? Nos, van spin momentumuk is, de nem tekintik úgy, hogy jelentősen hozzájárulnak egy atom mágnesességéhez. Ennek oka az, hogy a centrifugálási momentum fordítottan függ a tömegtől, és a proton tömege sokkal nagyobb, mint az elektroné.
A mágneses domének
Vasban, kobaltban és nikkelben a nagy mágneses válaszú elemek hármasában az elektronok által generált nettó centrifugálási momentum nem nulla. Ezekben a fémekben a 3d körüli pályán, a legkülső elektronok a amelyek hozzájárulnak a nettó mágneses momentumhoz. Ez az oka az ilyen anyagoknak ferromágnesesnek.
Az atomok ezen egyedi mágneses momentuma azonban nem elegendő a ferromágneses anyagok viselkedésének magyarázatához.
Az erősen mágneses anyagokon belül vannak olyan régiók, úgynevezett mágneses domének, amelyek kiterjesztése 10–4 és 10–1 cm között változhat, és milliárd atomot tartalmaznak. Ezekben a régiókban a szomszédos atomok nettó centrifugálási momentumai szorosan összekapcsolódnak.
Amikor egy mágneses doménekkel rendelkező anyag közeledik a mágneshez, akkor a domének egymáshoz igazodnak, fokozva a mágneses hatást.
Ennek oka az, hogy a doméneknek, mint például a sávmágneseknek, vannak mágneses pólusai, egyaránt jelölve az északi és a déli oldalt, oly módon, hogy a hasonló pólusok megtámadják, és az ellenkező pólusok vonzzák.
Mivel a domének a külső mezõvel egyeznek, az anyag repedõ hangokat bocsát ki, amelyeket a megfelelõ erõsítéssel meg lehet hallani.
Ez a hatás akkor látható, ha egy mágnes vonzza a puha vasszöget, és ezek viszont úgy viselkednek, mint a mágnesek, amelyek vonzzák a többi szöget.
A mágneses domének nem az anyagon belül statikus határok. Mérete az anyag hűtésével vagy melegítésével és külső mágneses mezők hatásának kitéve módosítható.
A domain növekedése azonban nem korlátlan. Abban a pillanatban, amikor már nem lehet összehangolni őket, azt mondják, hogy az anyag telítési pontja elérte. Ez a hatás tükröződik az alábbi hiszterézis görbékben.
Az anyag hevítése a mágneses momentumok igazításának elvesztését okozza. Az a hőmérséklet, amelyen a mágnesezés teljesen elveszik, az anyag típusától függően különbözik, bár a rúdmágnesek általában 770 ° C körül vesznek el.
A mágnes eltávolítása után a körmök mágneseződése elveszik az állandó hőkeverés miatt. Vannak más olyan vegyületek is, amelyek állandó mágnesezéssel rendelkeznek, mivel spontán módon igazodnak a domének.
A mágneses domének megfigyelhetők, ha a nem mágneses ferromágneses anyag, például a puha vas lapos felületét nagyon jól vágják és csiszolják. Miután ezt megtették, porral vagy finom vasreszelékkel meghintjük.
A mikroszkóp alatt megfigyelték, hogy a forgácsok az anyag mágneses doménjeit követve nagyon jól definiált tájolással vannak csoportosítva az ásványi alkotó területeken.
A különféle mágneses anyagok közötti viselkedésbeli különbség annak következménye, hogy a domének miként viselkednek bennük.
Mágneses hiszterézis
A mágneses hiszterézis az a jellemző, amelyet csak a nagy mágneses áteresztőképességű anyagok rendelkeznek. Nem található paramágneses vagy diamagnetikus anyagokban.
Ez egy alkalmazott külső mágneses mező, amelyet H- vel jelölnek meg , hatását a ferromágneses fém B mágneses indukciójára a mágnesezési és demagnetizálási ciklus során. A bemutatott gráfot hiszterézis görbenek nevezzük.
Ferromágneses hiszterézis ciklus
Kezdetben pontban O nincs erőtérrel H vagy mágneses válasz B, de mint az intenzitása H növekszik, az indukciós B fokozatosan növekszik, amíg eléri a telítési nagysága B s pontnál, amely várhatóan.
Most a H intenzitása fokozatosan csökken, amíg 0-ig nem válik, és ezzel elérjük a C pontot, az anyag mágneses reakciója azonban nem tűnik el, megőrizve a B r értékkel jelölt állandó regenerálódást. Ez azt jelenti, hogy a folyamat nem visszafordítható.
Innentől kezdve a H intenzitása növekszik, de a polaritással megfordítva (negatív jel), így a remanens mágnesesedés megszakad a D pontban. A H szükséges értékét H c- ként jelölik, és kényszerítő mezőnek hívják.
A H nagysága addig növekszik, amíg el nem éri a telítési értéket E-nél, és a H intenzitása azonnal csökken, amíg el nem éri a 0-t, de továbbra is fennmarad a mágnesesedés, és a polaritás ellentétes az előzőekben leírtakkal, az F pontban.
A H polaritása megint megfordul, és nagysága addig növekszik, amíg az anyag mágneses reakciója a G ponton meg nem szűnik. A GA út után a telítettség újra megváltozik. De az érdekes, hogy nem a piros nyilakkal jelzett eredeti úton mentél oda.
Mágnesesen kemény és lágy anyagok: alkalmazások
A lágy vas könnyebben mágnesezhető, mint az acél, és az anyag megcsapolása tovább megkönnyíti a domének összehangolását.
Amikor egy anyagot könnyen mágnesezni és lemagyarázni, azt állítják, hogy mágnesesen puha, és természetesen, ha ellenkezőleg történik, akkor mágnesesen kemény anyag. Az utóbbiban a mágneses domének kicsik, míg az előbbiekben nagyok, tehát a mikroszkóp segítségével a fentiekben leírtak szerint láthatók.
A hiszterézis görbe által körülvett terület az anyag mágneseztetéséhez vagy mágneseztetéséhez szükséges energia mértéke. Az ábra két hiszterézisgörbét mutat két különböző anyag esetében. A bal oldalon mágnesesen puha, míg a jobb oldalon kemény.
A puha ferromágneses anyagból van egy kis koercitív tér H c és a magas, keskeny hiszterézis görbe. Ez egy megfelelő anyag, amelyet az elektromos transzformátor magjába kell helyezni. Ezekre példa a lágy vas, a szilícium-vas és a vas-nikkel ötvözetek, amelyek hasznosak a kommunikációs berendezésekben.
Másrészt a mágnesesen kemény anyagokat nehéz mágneseztetni, ha egyszer mágneseztetik őket, mint például az alniko ötvözetek (alumínium-nikkel-kobalt) és a ritkaföldfémek ötvözeteivel, amelyekkel állandó mágneseket készítenek.
Irodalom
- Eisberg, R. 1978. Kvantfizika. Limusa. 557-577.
- Fiatal, Hugh. 2016. Sears-Zemansky Egyetemi Fizika a modern fizikával. 14. kiadás, Pearson. 943.
- Zapata, F. (2003). A Guafita mezőhöz (Apure állam) tartozó Guafita 8x olajkúthoz kapcsolódó ásványok vizsgálata a Mossbauer mágneses érzékenység és spektroszkópia mérésekkel. Diplomamunka. Venezuelai Központi Egyetem.