Warto przeczytać

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 magnetycznym BIndeks 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 r_r 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 s_s - dalszy wzrost wartości pola magnesującego nie powoduje wzrostu namagnesowania,

  • pozostałość magnetyczna (remanencja) BIndeks dolny r_r - namagnesowanie, jakie zachowuje ferromagnetyk po usunięciu go z pola magnesującego,

  • pole koercji (koercja) BIndeks dolny co_co - 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

Rys. 1. Na rysunku pokazano układ współrzędnych. Oś pionowa skierowana jest w górę i opisuje wektor indukcji magnetycznej wielka litera B. Oś pozioma skierowana jest w prawo i opisuje wektor indukcji magnetycznej B z indeksem dolnym zero. Oś pozioma przedstawia wartość indukcji zewnętrznego pola magnetycznego. W układzie współrzędnych widoczna jest funkcja narysowana niebieską linią, tworząca krzywą zamkniętą. Krzywa ta przedstawia pętlę histerezy. Początek funkcji widoczny jest w początku układu współrzędnych. Funkcja pierwotnie rośnie jak funkcja pierwiastek z X. Funkcja osiąga wartość maksymalną wielka litera B z indeksem dolnym wielka litera S, nazywana wartością indukcji nasycenia. Zmniejszenie wartości indukcji zewnętrznego pola magnetycznego powoduje spadek wartości indukcji wielka litera B. Niebieska funkcja jednak nie wraca po tym samym torze, po którym rosła. Wartość funkcji przy spadku zewnętrznego pola magnetycznego jest większa niż przy narastaniu. Funkcja malejąca ma ten sam charakter, co funkcja rosnąca, ale większą wartość. Dla zerowej indukcji zewnętrznego pola magnetycznego funkcja przybiera wartość dodatnią. Oznaczono ją wielką literą B z indeksem dolnym mała litera r. Wartość ta nazywana jest pozostałością magnetyczną .Wartość funkcji osiąga zero dla ujemnej wartości zewnętrznego pola magnetycznego. Wartość zewnętrznego pola magnetycznego, dla którego funkcja osiąga zero, nazywamy wartością pola koercji. Oznacza się ją symbolem wielka litera B z indeksem dolnym wielkimi literami CO. Po osiągnięciu wartości zero funkcja nadal maleje jak minus pierwiastek z X. Osiąga ona wartość minimalną, symetryczną względem osi poziomej do wartości maksymalnej. Zwiększenie wartości indukcji zewnętrznego pola magnetycznego powoduje wzrost wartości funkcji. Funkcja wzrastając osiąga wartości mniejsze niż przy spadku zewnętrznego pola magnetycznego. Zwiększanie wartości zewnętrznego pola magnetycznego powoduje powrót do wartości maksymalnej wartości indukcji nasycenia. Kształt pętli histerezy przypomina zdeformowany półksiężyc, którego jeden z końców został wygięty w drugą stronę.

Ferromagnetyki dzielimy na trzy grupy:

1. twarde - pozostają namagnesowane bez względu na zmiany zewnętrznego pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego;

2. miękkie - tracą zewnętrzne namagnesowanie po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznegopole magnetycznepola magnetycznego, zachowując jedynie namagnesowanie resztkowe;

3. 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

Rys. 2. Rysunek przedstawia dwa magnesy sztabkowe ułożone jeden na drugim. Prawe bieguny magnetyczne magnesów podpisane są wielkimi literami S. Lewe bieguny magnetyczne magnesów podpisane są wielkimi literami N. Magnesy widoczne są w postaci poziomych prostokątów. Górny magnes jest ciemnoszary, a dolny jasnoszary. Na rysunku widoczne są również linie pola magnetycznego. Górna linia pola magnetycznego jest czerwona i pokazana w postaci poziomego eliptycznego kształtu. Przechodzi ona wzdłuż górnego magnesu i obiega go z góry. Zaznaczono na niej kierunek zgodny z ruchem wskazówek zegara. Poniżej pokazana jest symetryczna niebieska linia, która przechodzi wzdłuż górnego magnesu i obiega go z dołu. Druga czerwona linia pola magnetycznego pokazana w postaci poziomego eliptycznego kształtu. Przechodzi ona wzdłuż dolnego magnesu i obiega go z góry. Poniżej pokazana jest symetryczna niebieska linia, która przechodzi wzdłuż dolnego magnesu i obiega go z dołu.

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 s_s, ale różni je pozostałość magnetyczna i koercja.

Tabela poniżej przedstawia zestawienie właściwości ferromagnetyka twardego, półtwardego i miękkiego na przykładach rzeczywistych materiałów:

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

Rys. 4. Zdjęcie przedstawia dwa magnesy neodymowe, ułożone jeden na drugim. Magnesy mają postać walców ułożonych pionowo jeden na drugim, mają kolor srebrny. Magnesy leżą na białym blacie. Poniżej magnesów leży zapałka ułożona poziomo. Średnica magnesów jest mniejsza niż połowa długości zapałki.

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