Proprietățile materialelor feromagnetice și aplicarea lor în tehnologie

În jurul unui fir cu curent electric, chiar și în vid, există camp magnetic… Și dacă o substanță este introdusă în acest câmp, atunci câmpul magnetic se va schimba, deoarece orice substanță dintr-un câmp magnetic este magnetizată, adică dobândește un moment magnetic mai mare sau mai mic, definit ca suma momentelor magnetice elementare asociate cu părțile care alcătuiesc acea substanță.

Esența fenomenului constă în faptul că moleculele multor substanțe au propriile lor momente magnetice, deoarece în interiorul moleculelor se deplasează sarcini, care formează curenți circulari elementari și, prin urmare, sunt însoțite de câmpuri magnetice. Dacă substanței nu i se aplică un câmp magnetic extern, momentele magnetice ale moleculelor sale sunt orientate aleatoriu în spațiu, iar câmpul magnetic total (precum și momentul magnetic total al moleculelor) unei astfel de probe va fi zero.

Dacă proba este introdusă într-un câmp magnetic extern, atunci orientarea momentelor magnetice elementare ale moleculelor sale va căpăta o direcție preferențială sub influența câmpului extern. Ca urmare, momentul magnetic total al substanței nu va mai fi zero, deoarece câmpurile magnetice ale moleculelor individuale în condiții noi nu se compensează reciproc. Astfel, substanța dezvoltă un câmp magnetic B.

Dacă inițial moleculele unei substanțe nu au momente magnetice (există astfel de substanțe), atunci când o astfel de probă este introdusă într-un câmp magnetic, în ea sunt induse curenți circulari, adică moleculele dobândesc momente magnetice, care din nou, ca urmare, duce la apariția unui câmp magnetic total B.

Majoritatea substanțelor cunoscute sunt slab magnetizate într-un câmp magnetic, dar există și substanțe care se disting prin proprietăți magnetice puternice, ele fiind numite feromagneți… Exemple de feromagneți: fier, cobalt, nichel și aliajele acestora.

Feromagneții includ solide care la temperaturi scăzute au o magnetizare spontană (spontană) care variază semnificativ sub influența unui câmp magnetic extern, a deformării mecanice sau a schimbării temperaturii. Așa se comportă oțelul și fierul, nichelul și cobaltul și aliajele. Permeabilitatea lor magnetică este de mii de ori mai mare decât cea a vidului.

Din acest motiv, în inginerie electrică, pentru a conduce fluxul magnetic și pentru a converti energia, este folosit în mod tradițional miezuri magnetice din materiale feromagnetice.

În astfel de substanțe, proprietățile magnetice depind de proprietățile magnetice ale purtătorilor elementari de magnetism - electroni care se deplasează în interiorul atomilor… Desigur, electronii care se mișcă pe orbite în atomi în jurul nucleelor ​​lor formează curenți circulari (dipoli magnetici). Dar în acest caz, electronii se rotesc și în jurul axelor lor, creând momente magnetice de spin, care pur și simplu joacă rolul principal în magnetizarea feromagneților.

Proprietățile ferromagnetice se manifestă numai atunci când substanța este în stare cristalină. În plus, aceste proprietăți sunt foarte dependente de temperatură, deoarece mișcarea termică împiedică orientarea stabilă a momentelor magnetice elementare. Deci, pentru fiecare feromagnet, se determină o anumită temperatură (punctul Curie) la care structura de magnetizare este distrusă și substanța devine paramagnet. De exemplu, pentru fier este de 900 ° C.

Chiar și în câmpuri magnetice slabe, feromagneții pot fi magnetizați până la saturație. În plus, permeabilitatea lor magnetică depinde de mărimea câmpului magnetic extern aplicat.

La începutul procesului de magnetizare inducție magnetică B devine mai puternic într-un feromagnetic, ceea ce înseamnă permeabilitatea magnetică este grozav.Dar când apare saturația, creșterea în continuare a inducției magnetice a câmpului extern nu mai duce la creșterea câmpului magnetic al feromagnetului și, prin urmare, permeabilitatea magnetică a probei a scăzut, acum tinde spre 1.

O proprietate importantă a feromagneților este rest… Să presupunem că o tijă feromagnetică este plasată în bobină și prin creșterea curentului din bobină este adusă în saturație. Apoi curentul din bobină a fost oprit, adică câmpul magnetic al bobinei a fost îndepărtat.

Se va putea observa că tija nu este demagnetizată în starea în care se afla la început, câmpul ei magnetic va fi mai mare, adică va exista o inducție reziduală. Tija a fost rotită în acest fel la un magnet permanent.

Pentru a demagnetiza o astfel de tijă înapoi, va fi necesar să i se aplice un câmp magnetic extern cu direcția opusă și cu o inducție egală cu inducția reziduală. Valoarea modulului de inducție a câmpului magnetic care trebuie aplicat unui feromagnet magnetizat (magnet permanent) pentru a-l demagnetiza se numește forță coercitivă.

Fenomenul în care în timpul magnetizării unui feromagnet inducerea în acesta rămâne în urmă față de inducția câmpului magnetic aplicat se numește histerezis magnetic (vedea - Ce este histerezisul).

Curbele de magnetizare (bucle de histerezis) pentru diferite materiale feromagnetice diferă unele de altele.

Unele materiale au bucle largi de histerezis - acestea sunt materiale cu magnetizare reziduală mare, se numesc materiale dure magnetic. Materialele magnetice dure sunt folosite la fabricarea magneților permanenți.

Dimpotrivă, materialele magnetice moi au o buclă de histerezis îngustă, magnetizare reziduală scăzută și sunt ușor magnetizate în câmpuri slabe. Acestea sunt materiale magnetice moi care sunt utilizate ca miezuri magnetice ale transformatoarelor, statoarelor de motoare etc.

Feromagneții joacă un rol foarte important în tehnologie astăzi. Materialele magnetice moi (ferite, oțel electric) sunt utilizate în motoare și generatoare electrice, în transformatoare și bobine, precum și în inginerie radio. Feritele sunt făcute din miezuri inductoare.

Materialele magnetice dure (ferite de bariu, cobalt, stronțiu, neodim-fier-bor) sunt folosite pentru a face magneți permanenți. Magneții permanenți sunt folosiți pe scară largă în instrumentele electrice și acustice, în motoare și generatoare, în busole magnetice etc.