Ferromagnetyzm polega na bardzo silnym wzmacnianiu pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego przez pewne substancje (ferromagnetyki).
Przypomnijmy, że miarą wpływu substancji na pole magnetycznepole magnetycznepole magnetyczne, w którym ta substancja jest „zanurzona”, jest względny współczynnik przenikalności magnetycznej. Jest on zdefiniowany jako stosunek wartości indukcji magnetycznej w obecności danej substancji B do wartości indukcji magnetycznej bez tej substancji (w próżni) BIndeks dolny 00, co można zapisać:
Dla ferromagnetyków względny współczynnik przenikalności magnetycznej osiąga wartości rzędu 10Indeks górny 22 – 10Indeks górny 66.
Ferromagnetyzm wynika z obecności w strukturze krystalicznej domen magnetycznych – obszarów o atomowych momentach magnetycznychmoment magnetycznymomentach magnetycznych ułożonych w jednym kierunku i wytwarzających sumaryczny niezerowy moment magnetycznymoment magnetycznymoment magnetyczny i słabe pole magnetyczne. W zewnętrznym polu magnetycznympole magnetycznepolu magnetycznymBIndeks dolny 00 następuje magnetyzacja ferromagnetyka polegająca na rozrastaniu się domen o dobrze (zgodnie z wektorem indukcji BIndeks dolny 00) skierowanych momentach magnetycznychmoment magnetycznymomentach magnetycznych albo na zmianie kierunku ich momentów magnetycznychmoment magnetycznymomentów magnetycznych (namagnesowania), co w sumie daje potężny efekt wzmocnienia pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego.
Zbierzmy w punktach podstawowe właściwości ferromagnetyków wynikające z istnienia domen:
ferromagnetyk może istnieć tylko w postaci krystalicznej (ciała stałego), zarówno poli- jak i monokryształu;
domeny mogą tworzyć się jedynie wtedy, gdy temperatura nie przekracza tzw. punktu Curie, który jest charakterystyczny dla danego ferromagnetyka;
ferromagnetyk jest wciągany w obszar silniejszego pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego (wytworzony w nim moment magnetycznymoment magnetycznymoment magnetyczny skierowany jest zgodnie z polem zewnętrznym);
współczynnik przenikalności magnetycznej μmuIndeks dolny rr dla danego ferromagnetyka nie jest stały; nie jest też prostą funkcją wartości indukcji zewnętrznej BIndeks dolny 00
zależy od historii magnesowania;
właściwości danego ferromagnetyka najpełniej przedstawia krzywa namagnesowania zwana histerezą magnetyczną (pętlą histerezy). Jest to doświadczalnie wyznaczona zależność B(BIndeks dolny 00), czyli wartość indukcji w rdzeniu ferromagnetycznym B w zależności od indukcji bez rdzenia BIndeks dolny 00 i w zależności od historii magnesowania.
Najważniejsze wielkości opisujące histerezę to:
wartość indukcji nasycenia (saturacji) BIndeks dolny ss - dalszy wzrost wartości pola magnesującego nie powoduje wzrostu namagnesowania,
pozostałość magnetyczna (remanencja) BIndeks dolny rr - namagnesowanie, jakie zachowuje ferromagnetyk po usunięciu go z pola magnesującego,
pole koercji (koercja) BIndeks dolny coco - indukcja magnetyczna pola, które trzeba przyłożyć do ferromagnetyka, aby usunąć pozostałość magnetyczną.
Więcej o ferromagnetyzmie możesz dowiedzieć się studiując e‑materiały : „Ferromagnetyki” i „Właściwości ferromagnetyków”.
R1QmkBF5iDsPg
Ferromagnetyki dzielimy na trzy grupy:
twarde - pozostają namagnesowane bez względu na zmiany zewnętrznego pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego;
miękkie - tracą zewnętrzne namagnesowanie po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego, zachowując jedynie namagnesowanie resztkowe;
półtwarde - zachowują stan namagnesowania; jednak, w przeciwieństwie do ferromagnetyków twardych, jest on łatwy do usunięcia.
Jak to się dzieje, że ferromagnetyki różnią się swoim „zachowaniem” ze względu na usunięcie ich z zewnętrznego pola magnetycznego? Jak to się dzieje, że ferromagnetyki miękkie same „pozbywają się” namagnesowania?
Należy sobie zdać sprawę z tego, że poszczególne części namagnesowanego ferromagnetyka działają na siebie rozmagnesowująco. Wyjaśnia to rysunek poniżej (Rys. 2.) przedstawiający magnes sztabkowy.
RqkPiukOFPPyX
Przedzielmy w myślach magnes na część górną i dolną. Widzimy, że górna część magnesu znajduje się w polu magnetycznympole magnetycznepolu magnetycznym wytwarzanym przez dolną część i to pole skierowane jest przeciwnie do istniejącej indukcji magnetycznej w części górnej. Jeśli wartość indukcji BIndeks dolny 00 byłaby równa polu koercji, to część górna rozmagnesowałaby się. To samo oczywiście zdarzyłoby się dla części dolnej.
Czyli dla małej wartości koercji następuje samoczynne rozmagnesowanie ferromagnetyka i jeśli pozostaje jakieś namagnesowanie, to jest ono nieznaczne.
Zatem wszystko zależy w zasadzie od wartości koercji magnetyka. Oto poglądowe zestawienie krzywych histerezy dla ferromagnetyków twardych, półtwardych i miękkich (Rys. 3.). Mają one tę samą wartość indukcji nasycenia BIndeks dolny ss, ale różni je pozostałość magnetyczna i koercja.
Rb1OrgPwZ8SCU
Tabela poniżej przedstawia zestawienie właściwości ferromagnetyka twardego, półtwardego i miękkiego na przykładach rzeczywistych materiałów:
Nazwa ferromagnetyka
Pozostałość magnetyczna BIndeks dolny rr
[T]
Koercja BIndeks dolny coco
[T]
Magnes neodymowy o symbolu N35EH
1,17 – 1,22
1,05 – 3,00
Pasek karty magnetycznej HiCo
brak danych
0,275 – 0,4
Blacha stalowa
1,7
2,5 ⋅ 10Indeks górny -4-4
Zauważ, że koercja stali miękkiej (blachy stalowej) jest cztery rzędy wielkości mniejsza niż magnetyka twardego (tu: magnesu neodymowego). Rysunek 3. nie oddaje aż takich proporcji. Ale i tak na rysunku widoczna jest różnica w wartości pola powierzchni wewnątrz pętli histerezy. To pole powierzchni jest miarą straty energii związanej z przemagnesowaniem magnetyka w ciągu jednego cyklu. Wąska histereza dla magnetyka miękkiego minimalizuje tę stratę energii. W związku z tym, taki ferromagnetyk stosowany jest tam, gdzie poddany jest działaniu pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego wywołanego przez prąd przemienny.
Podsumowując: to, jakiego rodzaju magnetyk stosujemy w danym urządzeniu, zależy przede wszystkim od funkcji tego urządzenia i, co jest z tym związane, naszych wymagań dotyczących trwałości pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego pozostającego w tym magnetyku. Tak więc generalnie:
1. ferromagnetyki twarde - stosowane są do budowy magnesów trwałych,
2. ferromagnetyki miękkie - tworzą rdzenie magnetyczne silników elektrycznych, transformatorów i elektromagnesów, generatorów; stosowane są w czujnikach,
3. ferromagnetyki półtwarde - stosowane są do zapisu danych na dyskach lub kartach magnetycznych.
Przykłady magnetyków twardych:
stopy metali ferromagnetycznych, np. Alnico, zawierające Fe, Co, Ni, Al, Cu,
twarde ferryty, o składzie MOFeIndeks dolny 1212O, gdzie MO jest zwykle tlenkiem baru lub strontu,
magnesy na bazie metali ziem rzadkich, przykładowe składy chemiczne to: SmCoIndeks dolny 55, NdIndeks dolny 22FeIndeks dolny 1414B - magnes neodymowy odkryty w 1983 r. i wytwarzany metodami metalurgii proszków z połączenia neodymu, żelaza i boru. Magnes ten wytwarza bardzo silne pole magnetycznepole magnetycznepole magnetyczne, co przekłada się na dużą siłę przyciągania.
RnEdxWZkRl5M4
Przykłady magnetyków miękkich:
stopy Fe i Si (stosunkowo tanie blachy elektrotechniczne),
stopy Fe i Ni (duża przenikalność magnetyczna początkowa),
stopy Fe i Co (duża indukcja nasycenia lub duża maksymalna przenikalność magnetyczna),
ferryty (duży opór właściwy).
Słowniczek
pole magnetyczne
pole magnetyczne
(ang. magnetic field) stan przestrzeni charakteryzujący się działaniem siły, zwanej siłą magnetyczną (Lorentza), na poruszający się ładunek umieszczony w tej przestrzeni bądź na obiekt obdarzony momentem magnetycznym; wielkością charakteryzująca pole magnetyczne jest wektor indukcji magnetycznej ;
dipol magnetyczny
dipol magnetyczny
(ang. magnetic dipole) układ wytwarzający pole magnetyczne, które cechuje magnetyczny moment dipolowy, na przykład magnes trwały, solenoid lub pojedyncza pętla z prądem. Wszystkie skończone źródła pola magnetycznego są dipolami.
moment magnetyczny
moment magnetyczny
(ang. magnetic moment) wielkość fizyczna cechująca dipol magnetyczny, która określa oddziaływanie dipola z zewnętrznym polem magnetycznym. Moment magnetyczny dipolowy μmu definiuje się przez moment siły działający na niego w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B: .