A ferromágneses anyagok tulajdonságai és technológiai alkalmazása
Elektromos áramú vezeték körül még vákuumban is van mágneses mező… És ha egy anyagot bevezetünk ebbe a mezőbe, akkor a mágneses tér megváltozik, mivel a mágneses térben lévő bármely anyag mágnesezett, azaz kisebb-nagyobb mágneses momentumot kap, amelyet a vele kapcsolatos elemi mágneses momentumok összegeként határozunk meg. az anyagot alkotó részek.
A jelenség lényege abban rejlik, hogy sok anyag molekulájának megvan a maga mágneses momentuma, mert a molekulák belsejében töltések mozognak, amelyek elemi köráramokat képeznek, és ezért mágneses mezők kísérik őket. Ha az anyagra nincs külső mágneses mező, akkor molekuláinak mágneses momentumai véletlenszerűen orientálódnak a térben, és egy ilyen minta teljes mágneses tere (valamint a molekulák teljes mágneses momentuma) nulla lesz.
Ha a mintát külső mágneses térbe vezetjük, akkor molekulái elemi mágneses momentumainak orientációja a külső tér hatására preferált irányt kap. Ennek eredményeként az anyag teljes mágneses momentuma már nem lesz nulla, mivel az egyes molekulák mágneses tere új körülmények között nem kompenzálja egymást. Így az anyag B mágneses teret fejleszt ki.
Ha egy anyag molekulái kezdetben nem rendelkeznek mágneses nyomatékkal (vannak ilyen anyagok), akkor amikor egy ilyen mintát mágneses térbe vezetünk, köráramok indukálódnak benne, vagyis a molekulák mágneses momentumokat szereznek, amelyek ismét ennek eredményeként egy teljes B mágneses mező megjelenéséhez vezet.
Az ismert anyagok többsége gyengén mágnesezett mágneses térben, de vannak olyan anyagok is, amelyeket erős mágneses tulajdonságok jellemeznek, ún. ferromágnesek… Példák ferromágnesekre: vas, kobalt, nikkel és ötvözeteik.
A ferromágnesek olyan szilárd anyagokat tartalmaznak, amelyek alacsony hőmérsékleten spontán (spontán) mágnesezettséggel rendelkeznek, amely külső mágneses tér, mechanikai deformáció vagy változó hőmérséklet hatására jelentősen változik. Így viselkedik az acél és a vas, a nikkel és a kobalt és az ötvözetek. Mágneses áteresztőképességük ezerszer nagyobb, mint a vákuumé.
Emiatt az elektrotechnikában hagyományosan mágneses fluxus vezetésére és energia átalakítására használják ferromágneses anyagokból készült mágneses magok.
Az ilyen anyagokban a mágneses tulajdonságok a mágnesesség elemi hordozóinak mágneses tulajdonságaitól függenek - az atomok belsejében mozgó elektronok… Természetesen az atomok körül keringő elektronok körkörös áramokat (mágneses dipólusokat) képeznek. De ebben az esetben az elektronok is forognak a tengelyük körül, spin mágneses momentumokat hozva létre, amelyek egyszerűen a ferromágnesek mágnesezésében játszanak főszerepet.
A ferromágneses tulajdonságok csak akkor nyilvánulnak meg, ha az anyag kristályos állapotban van. Ráadásul ezek a tulajdonságok nagymértékben hőmérsékletfüggőek, mivel a hőmozgás megakadályozza az elemi mágneses momentumok stabil orientációját. Tehát minden ferromágneshez egy adott hőmérsékletet (Curie-pontot) határoznak meg, amelyen a mágnesezett szerkezet megsemmisül, és az anyag paramágnesessé válik. Például a vas esetében 900 ° C.
A ferromágnesek még gyenge mágneses térben is telítettségig mágnesezhetők. Továbbá ezek mágneses permeabilitása függ az alkalmazott külső mágneses tér nagyságától.
A mágnesezési folyamat elején mágneses indukció B ferromágnesesben megerősödik, ami azt jelenti mágneses permeabilitás ez nagyszerű.De ha telítés következik be, a külső tér mágneses indukciójának további növelése már nem vezet a ferromágnes mágneses terének növekedéséhez, ezért a minta mágneses permeabilitása csökkent, most 1-re hajlik.
A ferromágnesek fontos tulajdonsága az maradék… Tegyük fel, hogy egy ferromágneses rudat helyezünk a tekercsbe, és a tekercsben lévő áram növelésével telítődik. Ezután a tekercsben lekapcsolták az áramot, vagyis eltávolították a tekercs mágneses terét.
Észre lehet majd venni, hogy a rúd nincs lemágnesezve arra az állapotra, amelyben kezdetben volt, nagyobb lesz a mágneses tere, azaz maradványindukció lesz. A rudat így forgatták állandó mágneshez.
Egy ilyen rúd visszamágnesezéséhez külső mágneses mezőt kell alkalmazni, ellenkező irányú és a maradék indukcióval egyenlő indukcióval. A mágnesezett ferromágnesre (permanens mágnesre) a lemágnesezéshez alkalmazni kell a mágneses tér indukciós modulusának az értékét ún. kényszerítő erő.
A különböző ferromágneses anyagok mágnesezési görbéi (hiszterézis hurkok) különböznek egymástól.
Egyes anyagok széles hiszterézishurokkal rendelkeznek – ezek nagy maradék mágnesezettségű anyagok, ezeket mágnesesen kemény anyagoknak nevezik. Az állandó mágnesek gyártásához kemény mágneses anyagokat használnak.
Éppen ellenkezőleg, a lágy mágneses anyagok szűk hiszterézis hurokkal, alacsony maradék mágnesezettséggel rendelkeznek, és könnyen mágnesezhetők gyenge mezőben. Ezek lágy mágneses anyagok, amelyeket transzformátorok, motor állórészek stb. mágneses magjaként használnak.
A ferromágnesek nagyon fontos szerepet töltenek be a mai technológiában. Lágy mágneses anyagokat (ferriteket, elektroacélt) használnak villanymotorokban és generátorokban, transzformátorokban és fojtótekercsekben, valamint a rádiótechnikában. A ferritek készülnek induktor magok.
A kemény mágneses anyagokat (bárium ferritjei, kobalt, stroncium, neodímium-vas-bór) állandó mágnesek készítésére használják. Az állandó mágneseket széles körben használják elektromos és akusztikus műszerekben, motorokban és generátorokban, mágneses iránytűben stb.