Eigenschappen van ferromagnetische materialen en hun toepassing in de techniek

Rond een draad met een elektrische stroom, zelfs in een vacuüm, is er magnetisch veld… En als een substantie in dit veld wordt geïntroduceerd, zal het magnetische veld veranderen, aangezien elke substantie in een magnetisch veld wordt gemagnetiseerd, dat wil zeggen, het krijgt een groter of kleiner magnetisch moment, gedefinieerd als de som van elementaire magnetische momenten geassocieerd met delen waaruit die stof bestaat.

De essentie van het fenomeen ligt in het feit dat de moleculen van veel stoffen hun eigen magnetische momenten hebben, omdat ladingen in de moleculen bewegen, die elementaire cirkelstromen vormen en dus vergezeld gaan van magnetische velden. Als er geen extern magnetisch veld op de stof wordt aangelegd, zijn de magnetische momenten van de moleculen willekeurig in de ruimte georiënteerd en zal het totale magnetische veld (evenals het totale magnetische moment van de moleculen) van zo'n monster nul zijn.

Als het monster in een extern magnetisch veld wordt geïntroduceerd, zal de oriëntatie van de elementaire magnetische momenten van zijn moleculen een voorkeursrichting krijgen onder invloed van het externe veld. Als gevolg hiervan zal het totale magnetische moment van de stof niet langer nul zijn, omdat de magnetische velden van individuele moleculen onder nieuwe omstandigheden elkaar niet compenseren. Zo ontwikkelt de stof een magnetisch veld B.

Als de moleculen van een stof aanvankelijk geen magnetische momenten hebben (er zijn dergelijke stoffen), dan worden er bij het inbrengen van een dergelijk monster in een magnetisch veld cirkelvormige stromen geïnduceerd, dat wil zeggen dat de moleculen magnetische momenten krijgen, wat weer, leidt daardoor tot het verschijnen van een totaal magnetisch veld B.

De meeste bekende stoffen zijn zwak gemagnetiseerd in een magnetisch veld, maar er zijn ook stoffen die zich onderscheiden door sterke magnetische eigenschappen, deze worden genoemd ferromagneten… Voorbeelden van ferromagneten: ijzer, kobalt, nikkel en hun legeringen.

Ferromagneten omvatten vaste stoffen die bij lage temperaturen een spontane (spontane) magnetisatie hebben die aanzienlijk varieert onder invloed van een extern magnetisch veld, mechanische vervorming of veranderende temperatuur. Dit is hoe staal en ijzer, nikkel en kobalt en legeringen zich gedragen. Hun magnetische permeabiliteit is duizenden keren hoger dan die van vacuüm.

Om deze reden wordt het in de elektrotechniek traditioneel gebruikt om magnetische flux te geleiden en energie om te zetten magnetische kernen gemaakt van ferromagnetische materialen.

In dergelijke stoffen hangen de magnetische eigenschappen af ​​van de magnetische eigenschappen van de elementaire dragers van magnetisme - elektronen die in atomen bewegen… Natuurlijk vormen elektronen die in banen in atomen rond hun kernen bewegen cirkelvormige stromen (magnetische dipolen). Maar in dit geval roteren de elektronen ook om hun as, waardoor spinmagnetische momenten ontstaan, die nu eenmaal de hoofdrol spelen bij de magnetisatie van ferromagneten.

Ferromagnetische eigenschappen komen alleen tot uiting als de stof zich in een kristallijne toestand bevindt. Bovendien zijn deze eigenschappen sterk temperatuurafhankelijk, aangezien thermische beweging de stabiele oriëntatie van de elementaire magnetische momenten verhindert. Voor elke ferromagneet wordt dus een bepaalde temperatuur (Curie-punt) bepaald waarbij de magnetiseringsstructuur wordt vernietigd en de stof een paramagneet wordt. Voor ijzer is dat bijvoorbeeld 900°C.

Zelfs in zwakke magnetische velden kunnen ferromagneten tot verzadiging worden gemagnetiseerd. Bovendien hangt hun magnetische permeabiliteit af van de grootte van het aangelegde externe magnetische veld.

Aan het begin van het magnetisatieproces magnetische inductie B wordt sterker in een ferromagnetische, wat betekent magnetische permeabiliteit het is geweldig, maar wanneer verzadiging optreedt, leidt een verdere toename van de magnetische inductie van het externe veld niet langer tot een toename van het magnetische veld van de ferromagneet, en daarom is de magnetische permeabiliteit van het monster afgenomen, nu neigt het naar 1.

Een belangrijke eigenschap van ferromagneten is rest… Stel dat er een ferromagnetische staaf in de spoel wordt geplaatst en door de stroom in de spoel te verhogen wordt deze in verzadiging gebracht. Vervolgens werd de stroom in de spoel uitgeschakeld, dat wil zeggen, het magnetische veld van de spoel werd verwijderd.

Het zal mogelijk zijn om op te merken dat de staaf niet is gedemagnetiseerd tot de toestand waarin hij zich in het begin bevond, het magnetische veld zal groter zijn, dat wil zeggen, er zal een resterende inductie zijn. De staaf werd op deze manier gedraaid naar een permanente magneet.

Om zo'n staaf terug te demagnetiseren, zal het nodig zijn om er een extern magnetisch veld op aan te leggen met de tegenovergestelde richting en met een inductie die gelijk is aan de resterende inductie. De waarde van de modulus van magnetische veldinductie die moet worden toegepast op een gemagnetiseerde ferromagneet (permanente magneet) om deze te demagnetiseren, wordt genoemd dwingende kracht.

Het fenomeen wanneer tijdens de magnetisatie van een ferromagneet de inductie daarin achterblijft bij de inductie van het aangelegde magnetische veld wordt genoemd magnetische hysterese (zien - Wat is hysterese).

Magnetisatiecurven (hysteresislussen) voor verschillende ferromagnetische materialen verschillen van elkaar.

Sommige materialen hebben brede hysteresislussen - dit zijn materialen met een hoge restmagnetisatie, ze worden magnetisch harde materialen genoemd. Hardmagnetische materialen worden gebruikt bij de vervaardiging van permanente magneten.

Integendeel, zachtmagnetische materialen hebben een smalle hysteresislus, lage restmagnetisatie en worden gemakkelijk gemagnetiseerd in zwakke velden. Dit zijn zachtmagnetische materialen die worden gebruikt als magnetische kernen van transformatoren, motorstators, enz.

Ferromagneten spelen tegenwoordig een zeer belangrijke rol in de technologie. Zachtmagnetische materialen (ferrieten, elektrisch staal) worden gebruikt in elektromotoren en generatoren, in transformatoren en smoorspoelen, maar ook in radiotechniek. Ferrieten zijn gemaakt van inductor kernen.

Hardmagnetische materialen (ferrieten van barium, kobalt, strontium, neodymium-ijzer-boor) worden gebruikt om permanente magneten te maken. Permanente magneten worden veel gebruikt in elektrische en akoestische instrumenten, in motoren en generatoren, in magnetische kompassen, enz.