Vlastnosti feromagnetických materiálov a ich využitie v technológii

Okolo drôtu s elektrickým prúdom, dokonca aj vo vákuu, existuje magnetické pole… A ak sa do tohto poľa zavedie látka, magnetické pole sa zmení, pretože každá látka v magnetickom poli sa zmagnetizuje, to znamená, že získa väčší alebo menší magnetický moment, definovaný ako súčet elementárnych magnetických momentov spojených s časti, ktoré tvoria túto látku.

Podstata javu spočíva v tom, že molekuly mnohých látok majú svoje magnetické momenty, pretože vo vnútri molekúl sa pohybujú náboje, ktoré tvoria elementárne kruhové prúdy, a preto sú sprevádzané magnetickými poľami. Ak na látku nepôsobí žiadne vonkajšie magnetické pole, magnetické momenty jej molekúl sú náhodne orientované v priestore a celkové magnetické pole (rovnako ako celkový magnetický moment molekúl) takejto vzorky bude nulové.

Ak sa vzorka zavedie do vonkajšieho magnetického poľa, potom pod vplyvom vonkajšieho poľa nadobudne orientácia elementárnych magnetických momentov jej molekúl preferenčný smer. Výsledkom je, že celkový magnetický moment látky už nebude nulový, pretože magnetické polia jednotlivých molekúl sa v nových podmienkach navzájom nekompenzujú. Látka teda vyvíja magnetické pole B.

Ak molekuly látky spočiatku nemajú magnetické momenty (existujú také látky), potom keď sa takáto vzorka vloží do magnetického poľa, indukujú sa v nej kruhové prúdy, to znamená, že molekuly získajú magnetické momenty, ktoré opäť v dôsledku toho vedie k vzniku celkových magnetických polí B.

Väčšina známych látok je v magnetickom poli slabo magnetizovaná, existujú však aj látky, ktoré sa vyznačujú silnými magnetickými vlastnosťami, tzv. feromagnetiká… Príklady feromagnetík: železo, kobalt, nikel a ich zliatiny.

Feromagnety zahŕňajú pevné látky, ktoré pri nízkych teplotách majú spontánnu (spontánnu) magnetizáciu, ktorá sa výrazne mení pod vplyvom vonkajšieho magnetického poľa, mechanickej deformácie alebo zmeny teploty. Takto sa správa oceľ a železo, nikel a kobalt a zliatiny. Ich magnetická permeabilita je tisíckrát vyššia ako priepustnosť vákua.

Z tohto dôvodu sa v elektrotechnike tradične používa na vedenie magnetického toku a premenu energie magnetické jadrá vyrobené z feromagnetických materiálov.

V takýchto látkach magnetické vlastnosti závisia od magnetických vlastností elementárnych nosičov magnetizmu — elektróny pohybujúce sa vo vnútri atómov… Samozrejme, elektróny pohybujúce sa po dráhach v atómoch okolo ich jadier tvoria kruhové prúdy (magnetické dipóly). Ale v tomto prípade sa elektróny tiež otáčajú okolo svojich osí a vytvárajú spinové magnetické momenty, ktoré jednoducho hrajú hlavnú úlohu pri magnetizácii feromagnetík.

Feromagnetické vlastnosti sa prejavia len vtedy, keď je látka v kryštalickom stave. Okrem toho sú tieto vlastnosti vysoko závislé od teploty, pretože tepelný pohyb bráni stabilnej orientácii elementárnych magnetických momentov. Takže pre každý feromagnet je určená špecifická teplota (Curieho bod), pri ktorej sa magnetizačná štruktúra zničí a látka sa stane paramagnetom. Napríklad pre železo je to 900 ° C.

Aj v slabých magnetických poliach môžu byť feromagnety zmagnetizované do nasýtenia. Ďalej ich magnetická permeabilita závisí od veľkosti aplikovaného vonkajšieho magnetického poľa.

Na začiatku procesu magnetizácie magnetická indukcia B sa stáva silnejším vo feromagnetickom, čo znamená magnetická permeabilita je to super.Ale ked nastane saturacia, dalsie zvysovanie magnetickej indukcie vonkajsieho pola uz nevedie k zvysovaniu magnetickeho pola feromagnetika a preto sa magneticka permeabilita vzorky znizila, teraz ma tendenciu k 1.

Dôležitou vlastnosťou feromagnetík je zvyšok… Predpokladajme, že feromagnetická tyč je umiestnená v cievke a zvýšením prúdu v cievke sa dostane do saturácie. Potom bol prúd v cievke vypnutý, to znamená, že magnetické pole cievky bolo odstránené.

Bude možné si všimnúť, že tyč nie je demagnetizovaná do stavu, v akom bola na začiatku, jej magnetické pole bude väčšie, to znamená, že bude existovať zvyšková indukcia. Prút sa takto otáčal na permanentný magnet.

Na demagnetizáciu takejto tyče späť bude potrebné na ňu aplikovať vonkajšie magnetické pole s opačným smerom a s indukciou rovnajúcou sa zvyškovej indukcii. Hodnota modulu indukcie magnetického poľa, ktorý je potrebné aplikovať na zmagnetizovaný feromagnet (permanentný magnet), aby sa odmagnetizoval, sa nazýva tzv. donucovacia sila.

Jav, keď pri magnetizácii feromagnetika indukcia v ňom zaostáva za indukciou aplikovaného magnetického poľa, sa nazýva tzv. magnetická hysterézia (pozri — Čo je hysterézia).

Magnetizačné krivky (hysterézne slučky) pre rôzne feromagnetické materiály sa navzájom líšia.

Niektoré materiály majú široké hysterézne slučky — ide o materiály s vysokou zvyškovou magnetizáciou, nazývajú sa magneticky tvrdé materiály. Pri výrobe permanentných magnetov sa používajú tvrdé magnetické materiály.

Naopak, mäkké magnetické materiály majú úzku hysteréznu slučku, nízku zvyškovú magnetizáciu a ľahko sa magnetizujú v slabých poliach. Ide o mäkké magnetické materiály, ktoré sa používajú ako magnetické jadrá transformátorov, statorov motorov a pod.

Feromagnety hrajú v dnešnej dobe veľmi dôležitú úlohu. Mäkké magnetické materiály (ferity, elektrooceľ) sa používajú v elektromotoroch a generátoroch, v transformátoroch a tlmivkách, ako aj v rádiotechnike. Ferity sú vyrobené z induktorové jadrá.

Na výrobu permanentných magnetov sa používajú tvrdé magnetické materiály (ferity bária, kobalt, stroncium, neodým-železo-bór). Permanentné magnety sú široko používané v elektrických a akustických prístrojoch, v motoroch a generátoroch, v magnetických kompasoch atď.