Egenskaper hos ferromagnetiska material och deras tillämpning inom teknik
Runt en tråd med en elektrisk ström, även i ett vakuum, finns det magnetiskt fält… Och om ett ämne introduceras i detta fält, så kommer magnetfältet att förändras, eftersom varje ämne i ett magnetfält magnetiseras, det vill säga det förvärvar ett större eller mindre magnetiskt moment, definierat som summan av elementära magnetiska moment associerade med delar som utgör ämnet.
Kärnan i fenomenet ligger i det faktum att molekylerna av många ämnen har sina egna magnetiska moment, eftersom laddningar rör sig inuti molekylerna, som bildar elementära cirkulära strömmar och därför åtföljs av magnetiska fält. Om inget yttre magnetfält appliceras på ämnet, är de magnetiska momenten för dess molekyler slumpmässigt orienterade i rymden, och det totala magnetfältet (liksom det totala magnetiska momentet för molekylerna) för ett sådant prov kommer att vara noll.
Om provet införs i ett externt magnetfält, kommer orienteringen av de elementära magnetiska momenten för dess molekyler att få en preferensriktning under påverkan av det yttre fältet. Som ett resultat kommer ämnets totala magnetiska moment inte längre att vara noll, eftersom magnetfälten hos enskilda molekyler under nya förhållanden inte kompenserar varandra. Således utvecklar ämnet ett magnetfält B.
Om molekylerna i ett ämne initialt inte har magnetiska moment (det finns sådana ämnen), då när ett sådant prov introduceras i ett magnetfält, induceras cirkulära strömmar i det, det vill säga molekylerna förvärvar magnetiska moment, vilket igen, som ett resultat leder till uppkomsten av ett totalt magnetfält B.
De flesta av de kända ämnena är svagt magnetiserade i ett magnetfält, men det finns även ämnen som utmärker sig genom starka magnetiska egenskaper, de kallas ferromagneter… Exempel på ferromagneter: järn, kobolt, nickel och deras legeringar.
Ferromagneter inkluderar fasta ämnen som vid låga temperaturer har en spontan (spontan) magnetisering som varierar avsevärt under påverkan av ett externt magnetfält, mekanisk deformation eller ändrad temperatur. Så här beter sig stål och järn, nickel och kobolt och legeringar. Deras magnetiska permeabilitet är tusentals gånger högre än vakuum.
Av denna anledning, inom elektroteknik, för att leda magnetiskt flöde och för att omvandla energi, används det traditionellt magnetiska kärnor gjorda av ferromagnetiska material.
I sådana ämnen beror de magnetiska egenskaperna på de magnetiska egenskaperna hos de elementära bärarna av magnetism - elektroner som rör sig inuti atomer… Naturligtvis bildar elektroner som rör sig i banor i atomer runt deras kärnor cirkulära strömmar (magnetiska dipoler). Men i det här fallet roterar elektronerna också runt sina axlar och skapar magnetiska spinnmoment, som helt enkelt spelar huvudrollen i magnetiseringen av ferromagneter.
Ferromagnetiska egenskaper manifesteras endast när ämnet är i ett kristallint tillstånd. Dessutom är dessa egenskaper starkt temperaturberoende, eftersom termisk rörelse förhindrar den stabila orienteringen av de elementära magnetiska momenten. Så för varje ferromagnet bestäms en specifik temperatur (Curie-punkt) vid vilken magnetiseringsstrukturen förstörs och ämnet blir en paramagnet. Till exempel, för järn är det 900 ° C.
Även i svaga magnetfält kan ferromagneter magnetiseras till mättnad. Dessutom beror deras magnetiska permeabilitet på storleken på det pålagda externa magnetfältet.
I början av magnetiseringsprocessen magnetisk induktion B blir starkare i en ferromagnetisk, vilket betyder magnetisk permeabilitet det är bra. Men när mättnad inträffar leder ytterligare ökning av den magnetiska induktionen av det yttre fältet inte längre till en ökning av ferromagnetens magnetfält, och därför har den magnetiska permeabiliteten för provet minskat, nu tenderar den till 1.
En viktig egenskap hos ferromagneter är återstoden… Antag att en ferromagnetisk stav placeras i spolen och genom att öka strömmen i spolen bringas den till mättnad. Sedan stängdes strömmen i spolen av, det vill säga spolens magnetfält togs bort.
Det kommer att vara möjligt att märka att staven inte är avmagnetiserad till det tillstånd som den var i i början, dess magnetfält kommer att vara större, det vill säga det kommer att finnas en kvarvarande induktion. Stången roterades på detta sätt till en permanentmagnet.
För att avmagnetisera en sådan stång tillbaka kommer det att vara nödvändigt att applicera ett externt magnetfält på den i motsatt riktning och med en induktion lika med den kvarvarande induktionen. Värdet på modulen för magnetfältsinduktion som måste appliceras på en magnetiserad ferromagnet (permanent magnet) för att avmagnetisera den kallas tvångskraft.
Magnetiseringskurvor (hysteresloopar) för olika ferromagnetiska material skiljer sig från varandra.
Vissa material har breda hysteresöglor — det här är material med hög restmagnetisering, de kallas magnetiskt hårda material. Hårda magnetiska material används vid tillverkning av permanentmagneter.
Tvärtom har mjuka magnetiska material en smal hysteresloop, låg restmagnetisering och magnetiseras lätt i svaga fält. Dessa är mjuka magnetiska material som används som magnetiska kärnor i transformatorer, motorstatorer etc.
Ferromagneter spelar en mycket viktig roll i tekniken idag. Mjuka magnetiska material (ferriter, elektriskt stål) används i elektriska motorer och generatorer, i transformatorer och choker, såväl som i radioteknik. Ferriter är gjorda av induktorkärnor.
Hårda magnetiska material (ferriter av barium, kobolt, strontium, neodym-järn-bor) används för att göra permanentmagneter. Permanenta magneter används ofta i elektriska och akustiska instrument, i motorer och generatorer, i magnetiska kompasser, etc.