Egenskaber af ferromagnetiske materialer og deres anvendelse i teknologi

Omkring en ledning med en elektrisk strøm, selv i et vakuum, er der magnetfelt… Og hvis et stof introduceres i dette felt, så vil magnetfeltet ændre sig, da ethvert stof i et magnetfelt magnetiseres, det vil sige, det erhverver et større eller mindre magnetisk moment, defineret som summen af ​​elementære magnetiske momenter forbundet med dele, der udgør dette stof.

Essensen af ​​fænomenet ligger i, at mange stoffers molekyler har deres egne magnetiske momenter, fordi ladninger bevæger sig inde i molekylerne, som danner elementære cirkulære strømme og derfor ledsages af magnetiske felter. Hvis der ikke påføres et eksternt magnetfelt på stoffet, er de magnetiske momenter af dets molekyler tilfældigt orienteret i rummet, og det samlede magnetiske felt (såvel som det samlede magnetiske moment af molekylerne) af en sådan prøve vil være nul.

Hvis prøven indføres i et eksternt magnetfelt, vil orienteringen af ​​de elementære magnetiske momenter af dens molekyler få en præferenceretning under påvirkning af det eksterne felt. Som følge heraf vil det samlede magnetiske moment af stoffet ikke længere være nul, da de magnetiske felter af individuelle molekyler under nye forhold ikke kompenserer hinanden. Stoffet udvikler således et magnetfelt B.

Hvis et stofs molekyler i starten ikke har magnetiske momenter (der er sådanne stoffer), så når en sådan prøve indføres i et magnetfelt, induceres cirkulære strømme i det, det vil sige, at molekylerne erhverver magnetiske momenter, som igen, som et resultat, fører til fremkomsten af ​​et samlet magnetfelt B.

De fleste af de kendte stoffer er svagt magnetiserede i et magnetfelt, men der er også stoffer, der udmærker sig ved stærke magnetiske egenskaber, de kaldes ferromagneter… Eksempler på ferromagneter: jern, kobolt, nikkel og deres legeringer.

Ferromagneter omfatter faste stoffer, der ved lave temperaturer har en spontan (spontan) magnetisering, der varierer betydeligt under påvirkning af et eksternt magnetfelt, mekanisk deformation eller skiftende temperatur. Sådan opfører stål og jern, nikkel og kobolt og legeringer sig. Deres magnetiske permeabilitet er tusindvis af gange højere end vakuum.

Af denne grund, i elektroteknik, til at lede magnetisk flux og til at konvertere energi, er det traditionelt brugt magnetiske kerner lavet af ferromagnetiske materialer.

I sådanne stoffer afhænger de magnetiske egenskaber af de magnetiske egenskaber af de elementære bærere af magnetisme - elektroner, der bevæger sig inde i atomer… Selvfølgelig danner elektroner, der bevæger sig i kredsløb i atomer omkring deres kerner, cirkulære strømme (magnetiske dipoler). Men i dette tilfælde roterer elektronerne også rundt om deres akser og skaber spinmagnetiske momenter, som blot spiller hovedrollen i magnetiseringen af ​​ferromagneter.

Ferromagnetiske egenskaber manifesteres kun, når stoffet er i en krystallinsk tilstand. Derudover er disse egenskaber meget temperaturafhængige, da termisk bevægelse forhindrer den stabile orientering af de elementære magnetiske momenter. Så for hver ferromagnet bestemmes en specifik temperatur (Curie-punkt), hvor magnetiseringsstrukturen ødelægges, og stoffet bliver en paramagnet. For jern er det for eksempel 900 ° C.

Selv i svage magnetfelter kan ferromagneter magnetiseres til mætning. Desuden afhænger deres magnetiske permeabilitet af størrelsen af ​​det påførte eksterne magnetfelt.

I begyndelsen af ​​magnetiseringsprocessen magnetisk induktion B bliver stærkere i en ferromagnetisk, hvilket betyder magnetisk permeabilitet det er fantastisk. Men når mætning opstår, fører yderligere forøgelse af den magnetiske induktion af det ydre felt ikke længere til en stigning i ferromagnetens magnetfelt, og derfor er den magnetiske permeabilitet af prøven faldet, nu har den en tendens til 1.

En vigtig egenskab ved ferromagneter er resten… Antag, at en ferromagnetisk stang er placeret i spolen, og ved at øge strømmen i spolen bringes den i mætning. Derefter blev strømmen i spolen slukket, det vil sige, at spolens magnetfelt blev fjernet.

Det vil være muligt at bemærke, at stangen ikke er afmagnetiseret til den tilstand, hvor den var i begyndelsen, dens magnetfelt vil være større, det vil sige, at der vil være en resterende induktion. Stangen blev drejet på denne måde til en permanent magnet.

For at afmagnetisere en sådan stang tilbage, vil det være nødvendigt at påføre den et eksternt magnetfelt med den modsatte retning og med en induktion svarende til den resterende induktion. Værdien af ​​det modul af magnetfeltinduktion, der skal påføres en magnetiseret ferromagnet (permanent magnet) for at afmagnetisere den, kaldes tvangskraft.

Det fænomen, hvor induktionen i den under magnetiseringen af ​​en ferromagnet halter bagud induktionen af ​​det påførte magnetfelt, kaldes magnetisk hysterese (se - Hvad er hysterese).

Magnetiseringskurver (hysterese-løkker) for forskellige ferromagnetiske materialer adskiller sig fra hinanden.

Nogle materialer har brede hysterese-løkker - disse er materialer med høj restmagnetisering, de kaldes magnetisk hårde materialer. Hårde magnetiske materialer bruges til fremstilling af permanente magneter.

Tværtimod har bløde magnetiske materialer en smal hystereseløkke, lav restmagnetisering og magnetiseres let i svage felter. Det er bløde magnetiske materialer, der bruges som magnetiske kerner i transformatorer, motorstatorer mv.

Ferromagneter spiller en meget vigtig rolle i teknologien i dag. Bløde magnetiske materialer (ferritter, elektrisk stål) bruges i elektriske motorer og generatorer, i transformere og drosler samt i radioteknik. Ferriter er lavet af induktorkerner.

Hårde magnetiske materialer (ferriter af barium, kobolt, strontium, neodym-jern-bor) bruges til at fremstille permanente magneter. Permanente magneter er meget udbredt i elektriske og akustiske instrumenter, i motorer og generatorer, i magnetiske kompasser osv.