Mıknatıslanma ve manyetik malzemeler

Manyetik özelliklere sahip bir maddenin varlığı, manyetik olmayan uzaydaki alana kıyasla manyetik alan parametrelerindeki bir değişiklikle kendini gösterir. Mikroskobik gösterimde meydana gelen fiziksel süreçler, hacim yoğunluğu mıknatıslanma vektörü olarak adlandırılan mikro akımların manyetik momentlerinin manyetik alanının etkisi altındaki malzemedeki görünümle ilişkilidir.

İçine yerleştirdiğinizde maddede mıknatıslanma görünümü manyetik alan alan yönünde mikro akımlarda dolaşan manyetik momentlerin kademeli tercihli yönelim süreci ile açıklanmaktadır. Maddede mikro akımların yaratılmasına büyük katkı, elektronların hareketidir: atomlarla ilişkili elektronların dönüşü ve yörünge hareketi, iletim elektronlarının dönüşü ve serbest hareketi.

Manyetik özelliklerine göre, tüm malzemeler paramanyetiklere, diamanyetlere, ferromanyetlere, antiferromanyetiklere ve ferritlere ayrılır... Bir malzemenin belirli bir sınıfa ait olması, elektronların manyetik momentlerinin bir manyetik maddeye reaksiyonunun doğası ile belirlenir. çok elektronlu atomlarda ve kristal yapılarda elektronların birbirleriyle güçlü etkileşimleri koşulları altında alan.

Diamagnets ve paramagnets zayıf manyetik malzemelerdir. Ferromanyetlerde çok daha güçlü bir mıknatıslanma etkisi gözlenir.

Bu tür malzemeler için manyetik duyarlılık (manyetizasyon ve alan kuvveti vektörlerinin mutlak değerlerinin oranı) pozitiftir ve birkaç on bine ulaşabilir. Ferromanyetlerde, kendiliğinden tek yönlü mıknatıslanma bölgeleri - alanlar - oluşur.

ferromanyetizma geçiş metallerinin kristallerinde gözlenir: demir, kobalt, nikel ve bir dizi alaşım.

Artan güçte bir dış manyetik alan uygulandığında, başlangıçta farklı alanlarda farklı şekillerde yönlendirilen kendiliğinden mıknatıslanma vektörleri, kademeli olarak aynı yönde hizalanır. Bu sürece teknik mıknatıslanma denir... Bir ilk mıknatıslanma eğrisi ile karakterize edilir - indüksiyonun veya mıknatıslanmanın ortaya çıkan manyetik alan gücü malzemede.

Nispeten küçük bir alan gücüyle (Bölüm I), esas olarak alan gücü vektörlerinin yönlerinin pozitif yarımküresindeki mıknatıslanma oryantasyonu ile alanların boyutunda bir artışa bağlı olarak mıknatıslanmada hızlı bir artış vardır. Aynı zamanda, negatif yarım küredeki alanların boyutları orantılı olarak küçülür.Daha az ölçüde, manyetizasyonu yoğunluk vektörüne ortogonal düzleme daha yakın olan bu bölgelerin boyutları değişir.

Yoğunluğun daha da artmasıyla, teknik doygunluğa ulaşılana kadar (S noktası) alan boyunca alan mıknatıslanma vektörlerinin dönme süreçleri baskındır (bölüm II). Elde edilen manyetizasyonun müteakip artışı ve alandaki tüm bölgelerin aynı yöneliminin elde edilmesi, elektronların termal hareketi tarafından engellenir. Bölge III, doğası gereği paramanyetik süreçlere benzer, burada manyetizasyondaki artış, termal hareket tarafından yönünü şaşırmış birkaç spin manyetik momentinin yöneliminden kaynaklanır. Artan sıcaklıkla birlikte, yönünü değiştiren termal hareket artar ve maddenin manyetizasyonu azalır.

Belirli bir ferromanyetik malzeme için, alan yapısının ferromanyetik düzeninin ve mıknatıslanmanın kaybolduğu belirli bir sıcaklık vardır. Malzeme paramanyetik hale gelir. Bu sıcaklığa Curie noktası denir. Demir için Curie noktası 790 ° C'ye, nikel için - 340 ° C'ye, kobalt için - 1150 ° C'ye karşılık gelir.

Sıcaklığın Curie noktasının altına düşürülmesi, malzemenin manyetik özelliklerini tekrar eski haline getirir: harici manyetik alan yoksa sıfır ağ mıknatıslanmasıyla alan yapısı. Bu nedenle, Curie noktasının üzerindeki ferromanyetik malzemelerden yapılmış ısıtma ürünleri, bunların tamamen manyetikliğini gidermek için kullanılır.

İlk mıknatıslanma eğrisi

Ferromanyetik malzemelerin mıknatıslanma süreçleri, manyetik alandaki değişiklikle bağlantılı olarak tersinir ve tersinmez olarak ayrılır.Dış alan bozulmaları giderildikten sonra, malzemenin mıknatıslanması orijinal durumuna geri dönerse, bu işlem tersine çevrilebilir, aksi takdirde geri döndürülemez.

Alan duvarlarının küçük yer değiştirmelerinde ve bölgelerdeki mıknatıslanma vektörleri döndüğünde bölge II, III'te, bölüm I mıknatıslanma eğrisinin küçük bir başlangıç ​​segmentinde (Rayleigh bölgesi) tersinir değişiklikler gözlenir. Bölüm I'in ana kısmı, esas olarak ferromanyetik malzemelerin histerezis özelliklerini (manyetik alandaki değişikliklerden kaynaklanan mıknatıslanmadaki değişikliklerin gecikmesi) belirleyen, tersine çevrilemez bir mıknatıslanma tersine çevirme süreci ile ilgilidir.

Döngüsel olarak değişen bir dış manyetik alanın etkisi altında bir ferromanyetin mıknatıslanmasındaki değişikliği yansıtan eğriler olarak adlandırılan histerezis döngüsü.

Manyetik malzemeleri test ederken, malzeme içinde elde edilen parametrelerin anlamı olan B (H) veya M (H) manyetik alan parametrelerinin fonksiyonları için sabit bir yönde bir izdüşümde histerezis döngüleri oluşturulur. Malzeme daha önce tamamen manyetikliği giderildiyse, manyetik alan kuvvetinin sıfırdan Hs'ye kademeli olarak artması, ilk mıknatıslanma eğrisinden (Bölüm 0-1) birçok puan verir.

Nokta 1 — teknik doyum noktası (Bs, Hs). Malzemenin içindeki H kuvvetinin daha sonra sıfıra düşürülmesi (Bölüm 1-2), artık mıknatıslanma Br'nin sınır (maksimum) değerini belirlemeyi ve tam manyetikliği giderme B = 0'ı elde etmek için negatif alan gücünü daha da azaltmayı mümkün kılar ( bölüm 2-3) H = -HcV noktasında - manyetizasyon sırasında maksimum zorlayıcı kuvvet.

Ayrıca, malzeme H = — Hs'de doygunluğa (Bölüm 3-4) negatif yönde manyetize edilir. Alan kuvvetinde pozitif yönde bir değişiklik, 4-5-6-1 eğrisi boyunca sınırlayıcı histerezis döngüsünü kapatır.

Histerezis limit döngüsü içindeki birçok malzeme durumu, kısmi simetrik ve asimetrik histerezis döngülerine karşılık gelen manyetik alan kuvveti değiştirilerek elde edilebilir.

Manyetik histerezis: 1 — ilk mıknatıslanma eğrisi; 2 — histerezis sınır döngüsü; 3 — ana mıknatıslanma eğrisi; 4 — simetrik kısmi döngüler; 5 — asimetrik kısmi döngüler

Kısmen simetrik histerezis döngüleri, köşelerini, limit döngüsüyle çakışana kadar bu döngülerin tepe noktaları kümesi olarak tanımlanan ana mıknatıslanma eğrisine dayandırır.

Kısmi asimetrik histerezis döngüleri, başlangıç ​​noktası, alan gücünde simetrik bir değişiklikle ve ayrıca alan gücünde pozitif veya negatif yönde asimetrik bir değişiklikle ana mıknatıslanma eğrisi üzerinde değilse oluşturulur.

Zorlayıcı kuvvetin değerlerine bağlı olarak, ferromanyetik malzemeler manyetik olarak yumuşak ve manyetik olarak sert olarak ayrılır.

Yumuşak manyetik malzemeler manyetik sistemlerde manyetik çekirdek olarak kullanılır... Bu malzemeler düşük zorlayıcı kuvvete, yüksek manyetik geçirgenlik ve doygunluk indüksiyonu.

Sert manyetik malzemeler büyük bir zorlayıcı güce sahiptir ve önceden manyetize edilmiş durumda kalıcı mıknatıslar — birincil manyetik alan kaynakları.

Manyetik özelliklerine göre antiferromanyetiklerin ait olduğu malzemeler vardır... Komşu atomların dönüşlerinin antiparalel düzenlemesi, onlar için enerjisel olarak daha elverişli hale gelir. Antiferromanyetikler, kristal kafes asimetrisi nedeniyle önemli bir içsel manyetik momente sahip yaratılmıştır... Bu tür malzemelere ferrimanyetikler (ferritler) denir... Metalik ferromanyetik malzemelerin aksine, ferritler yarı iletkendir ve önemli ölçüde daha düşük enerji kayıplarına sahiptir. alternatif manyetik alanlarda girdap akımları.

Çeşitli ferromanyetik malzemelerin mıknatıslanma eğrileri