FERROMAGNETISMUS: MATERIÁLY, APLIKACE A PŘÍKLADY - FYZICKÝ - 2025

Feromagnetismus je vlastnost, která dává některé látky intenzivní a permanentní magnetické odezvy. V přírodě existuje pět prvků s touto vlastností: železo, kobalt, nikl, gadolinium a dysprosium, poslední vzácné zeminy.

V přítomnosti vnějšího magnetického pole, jako je pole vytvářené přírodním magnetem nebo elektromagnetem, reaguje látka charakteristickým způsobem podle své vnitřní konfigurace. Velikost, která kvantifikuje tuto reakci, je magnetická propustnost.

Magnety tvořící most. Zdroj: Pixabay

Magnetická propustnost je bezrozměrná veličina daná podílem mezi intenzitou magnetického pole generovaného uvnitř materiálu a intenzitou magnetického pole aplikovaného externě.

Pokud je tato odpověď mnohem větší než 1, je materiál klasifikován jako feromagnetický. Na druhé straně, pokud propustnost není mnohem větší než 1, je magnetická odezva považována za slabší, jedná se o paramagnetické materiály.

U železa je magnetická propustnost řádově ¹⁰⁴. To znamená, že pole uvnitř železa je asi 10 000krát větší než pole aplikované externě. Což dává představu o tom, jak silná je magnetická odezva tohoto minerálu.

Jak vzniká magnetická odpověď uvnitř látek?

Je známo, že magnetismus je efektem spojeným s pohybem elektrických nábojů. To je přesně to, z čeho se elektrický proud skládá. Odkud potom přicházejí magnetické vlastnosti tyčového magnetu, s nímž byla na lednici nalepena nota?

Materiál magnetu a také jakákoli jiná látka obsahuje uvnitř protony a elektrony, které mají svůj vlastní pohyb a různými způsoby generují elektrické proudy.

Velmi zjednodušený model předpokládá elektron v kruhové oběžné dráze kolem jádra tvořeného protony a neutrony, čímž vytváří malou smyčku proudu. Každá smyčka je spojena s vektorovou velikostí zvanou „orbitální magnetický moment“, jejíž intenzita je dána součinem proudu a oblastí určenou smyčkou: Bohrovým magnetonem.

V této malé smyčce samozřejmě závisí proud na náboji elektronu. Protože všechny látky obsahují elektrony ve svém vnitřku, všechny mají v zásadě možnost vyjádřit magnetické vlastnosti. Avšak ne všichni.

Je tomu tak proto, že její magnetické momenty nejsou uspořádány uvnitř, ale náhodně uspořádány uvnitř, takže jeho makroskopické magnetické efekty se ruší.

Příběh zde nekončí. Produkt magnetického momentu pohybu elektronů kolem jádra není jediným možným zdrojem magnetismu v tomto měřítku.

Elektron má určitý rotační pohyb kolem své osy. Je to efekt, který se promítá do vnitřní momenty hybnosti. Tato vlastnost se nazývá elektronová rotace.

Samozřejmě má také přidružený magnetický moment a je mnohem silnější než okružní moment. Ve skutečnosti je největším příspěvkem k čistému magnetickému momentu atomu spin, avšak oba magnetické momenty: to, že translace plus vnitřní hybná hybnost, přispívají k celkovému magnetickému momentu atomu.

Tyto magnetické momenty jsou ty, které mají tendenci se vyrovnávat v přítomnosti vnějšího magnetického pole. A dělají to také s poli vytvořenými sousedními momenty v materiálu.

Nyní se elektrony obvykle spárují v atomech s mnoha elektrony. Mezi elektrony jsou vytvářeny páry s opačným točením, což má za následek, že se magnetický moment odstřeďování vypíná.

Jediným způsobem, jak rotace přispívá k celkovému magnetickému momentu, je, pokud je jeden z nich nepárový, tj. Atom má lichý počet elektronů.

A co magnetický moment protonů v jádru? Mají také rotační moment, ale nepředpokládá se, že by významně přispíval k magnetismu atomu. Je to proto, že točivý moment je nepřímo závislý na hmotnosti a hmotnost protonu je mnohem větší než hmotnost elektronu.

Magnetické domény

V železe, kobaltu a niklu, trojici prvků s velkou magnetickou odezvou, není čistý spinový moment produkovaný elektrony nulový. V těchto kovech jsou elektrony ve 3d orbitále, nejvzdálenější, které přispívají k čistému magnetickému momentu. Proto jsou takové materiály považovány za feromagnetické.

Tento individuální magnetický moment každého atomu však nestačí k vysvětlení chování feromagnetických materiálů.

Uvnitř silně magnetických materiálů jsou oblasti zvané magnetické domény, jejichž rozšíření se může pohybovat mezi 10 ^-4 a 10 ^-1 cm a které obsahují miliardy atomů. V těchto oblastech se čisté spinové momenty sousedních atomů pevně spojí.

Když se materiál s magnetickými doménami přiblíží k magnetu, domény se navzájem zarovnají a zesílí magnetický efekt.

Je to proto, že domény, jako tyčové magnety, mají magnetické póly, které jsou stejně označeny jako severní a jižní, takže přitahují póly, které odpuzují a protilehlé.

Když se domény zarovnávají s vnějším polem, materiál vydává praskající zvuky, které lze slyšet při odpovídajícím zesílení.

Tento efekt lze vidět, když magnet přitahuje měkké železné nehty a ty se zase chovají jako magnety přitahující jiné nehty.

Magnetické domény nejsou statické hranice stanovené v materiálu. Jeho velikost může být upravena ochlazením nebo zahřátím materiálu a také vystavením působení vnějších magnetických polí.

Růst domény však není neomezený. V okamžiku, kdy již není možné je zarovnat, se říká, že bylo dosaženo bodu nasycení materiálu. Tento efekt se odráží v hysterezních křivkách níže.

Zahřívání materiálu způsobuje ztrátu zarovnání magnetických momentů. Teplota, při které je magnetizace úplně ztracena, se liší v závislosti na typu materiálu, pro tyčový magnet je obvykle ztracena při přibližně 770 ° C.

Jakmile je magnet odstraněn, magnetizace nehtů se ztratí v důsledku teplotního míchání, které je za všech okolností přítomno. Existují však i jiné sloučeniny, které mají permanentní magnetizaci, protože mají spontánně zarovnáné domény.

Magnetické domény lze pozorovat, když je plochá plocha nemagnetizovaného feromagnetického materiálu, jako je měkké železo, velmi dobře řezaná a leštěná. Jakmile je to hotovo, je posypáno práškem nebo jemným železným pilinami.

Pod mikroskopem je pozorováno, že čipy jsou seskupeny na regionech vytvářejících minerály s velmi dobře definovanou orientací, sledující magnetické domény materiálu.

Rozdíl v chování mezi různými magnetickými materiály je způsoben chováním domén v nich.

Magnetická hystereze

Magnetická hystereze je vlastnost, kterou mají pouze materiály s vysokou magnetickou permeabilitou. Není přítomen v paramagnetických nebo diamagnetických materiálech.

Představuje účinek aplikovaného vnějšího magnetického pole, které je označeno jako H, na magnetickou indukci B feromagnetického kovu během cyklu magnetizace a demagnetizace. Zobrazený graf se nazývá hysterezní křivka.

Cyklus feromagnetické hystereze

Zpočátku v bodě O žádný aplikované pole H nebo magnetické reakce B, ale intenzita se zvyšuje H, indukci B se zvyšuje postupně až do dosažení nasycení velikost B _je v bodě A, který se předpokládá.

Nyní se intenzita H postupně snižuje až na 0, čímž dosáhneme bodu C, magnetická odezva materiálu však nezmizí a zachovává remanentní magnetizaci indikovanou hodnotou B _r. To znamená, že proces není reverzibilní.

Odtud intenzitě H zvyšuje, ale s opačnou polaritou (záporné znaménko), tak, že remanentní magnetizace je zrušena v bodě D. potřebné hodnota H je označeno jako H _c a nazývá pole donucovací.

Velikost H se zvyšuje, dokud nedosáhne saturační hodnoty na E a okamžitě se intenzita H snižuje, dokud nedosáhne 0, ale zůstane remanentní magnetizace s polaritou opačnou oproti dříve popsané v bodě F.

Nyní je polarita H opět obrácena a její velikost se zvyšuje, dokud se nezruší magnetická odezva materiálu v bodě G. Po cestě GA se opět dosáhne nasycení. Zajímavé však je, že jste se tam nedostali původní cestou označenou červenými šipkami.

Magneticky tvrdé a měkké materiály: aplikace

Měkké železo je snadněji magnetizovatelné než ocel a klepání na materiál dále usnadňuje zarovnání domén.

Když je materiál snadno magnetizovatelný a demagnetizovatelný, říká se, že je magneticky měkký, a pokud se stane opak, je to magneticky tvrdý materiál. Ve druhém případě jsou magnetické domény malé, zatímco v prvním jsou velké, takže je lze vidět mikroskopem, jak je uvedeno výše.

Oblast ohraničená hysterezní křivkou je míra energie potřebné k magnetizaci - demagnetizaci materiálu. Obrázek ukazuje dvě křivky hystereze pro dva různé materiály. Ten vlevo je magneticky měkký, zatímco ten vpravo je tvrdý.

Měkký feromagnetického materiálu má malou koercitivní síly H _c a vysokou, úzkou hysterezní křivky. Je to vhodný materiál pro umístění do jádra elektrického transformátoru. Jejich příklady jsou měkké železo, křemík-železo a slitiny železa a niklu, které jsou užitečné pro komunikační zařízení.

Na druhé straně, magneticky tvrdé materiály je obtížné odmagnetizovat, jakmile jsou zmagnetizovány, jako je tomu v případě slitin alnico (hliník-nikl-kobalt) a slitin vzácných zemin, s nimiž se vyrábějí permanentní magnety.

Reference

1. Eisberg, R. 1978. Quantum Physics. Limusa. 557 -577.
2. Young, Hugh. 2016. Univerzita fyziky Sears-Zemanského s moderní fyzikou. 14. vydání, Pearson. 943.
3. Zapata, F. (2003). Studium mineralogií spojených s ropným vrtem Guafita 8x náležejícím do oblasti Guafita (Apure State) pomocí měření magnetické susceptibility a spektroskopie Mossbauer. Diplomová práce. Venezuelská centrální univerzita.