De ferromagnetisme Het is de eigenschap die sommige stoffen een intense en permanente magnetische respons geeft. In de natuur zijn er vijf elementen met deze eigenschap: ijzer, kobalt, nikkel, gadolinium en dysprosium, de laatste zeldzame aarden.
In de aanwezigheid van een extern magnetisch veld, zoals dat geproduceerd door een natuurlijke magneet of een elektromagneet, reageert een stof op een karakteristieke manier, in overeenstemming met zijn interne configuratie. De grootte die deze respons kwantificeert, is de magnetische permeabiliteit.
Magnetische permeabiliteit is een dimensieloze grootheid die wordt gegeven door het quotiënt tussen de intensiteit van het magnetische veld dat in het materiaal wordt gegenereerd en dat van het extern aangelegde magnetische veld..
Als dit antwoord veel groter is dan 1, wordt het materiaal geclassificeerd als ferromagnetisch. Aan de andere kant, als de permeabiliteit niet veel groter is dan 1, wordt de magnetische respons als zwakker beschouwd, het zijn paramagnetische materialen.
Bij ijzer is de magnetische permeabiliteit in de orde van 104. Dit betekent dat het veld in het strijkijzer ongeveer 10.000 keer groter is dan het veld dat extern wordt aangelegd. Dat geeft een idee van hoe krachtig de magnetische reactie van dit mineraal is..
Artikel index
Van magnetisme is bekend dat het een effect is dat verband houdt met de beweging van elektrische ladingen. Dat is precies waaruit de elektrische stroom bestaat. Waar komen dan de magnetische eigenschappen van de staafmagneet vandaan waarmee een briefje op de koelkast is geplakt?
Het materiaal van de magneet, en ook elke andere substantie, bevat binnenin protonen en elektronen, die hun eigen beweging hebben en op verschillende manieren elektrische stromen genereren..
Een zeer vereenvoudigd model gaat ervan uit dat het elektron in een cirkelvormige baan rond de kern bestaat die uit protonen en neutronen bestaat, en zo een kleine stroomlus vormt. Elke lus is geassocieerd met een vectormagnitude genaamd "orbitaal magnetisch moment", waarvan de intensiteit wordt bepaald door het product van de stroom en het gebied bepaald door de lus: de Bohr magneton.
In deze kleine lus hangt de stroom natuurlijk af van de lading van het elektron. Omdat alle stoffen elektronen in hun binnenste bevatten, hebben ze in principe allemaal de mogelijkheid om magnetische eigenschappen tot uitdrukking te brengen. Maar niet allemaal.
Dit komt omdat de magnetische momenten niet zijn uitgelijnd, maar eerder willekeurig binnenin zijn gerangschikt, op een manier die de macroscopische magnetische effecten teniet doet..
Het verhaal houdt hier niet op. Het magnetische momentproduct van de elektronenbeweging rond de kern is niet de enige mogelijke bron van magnetisme op deze schaal..
Het elektron heeft een soort rotatiebeweging om zijn as. Het is een effect dat zich vertaalt in een intrinsiek impulsmoment. Deze eigenschap wordt genoemd spin elektron.
Het heeft natuurlijk ook een bijbehorend magnetisch moment en het is veel sterker dan het omloopmoment. In feite is de grootste bijdrage aan het netto magnetische moment van het atoom door de spin, maar beide magnetische momenten: die van de translatie plus die van het intrinsieke impulsmoment, dragen bij aan het totale magnetische moment van het atoom..
Deze magnetische momenten zijn degenen die de neiging hebben om uit te lijnen in de aanwezigheid van een extern magnetisch veld. En ze maken ze ook met de velden gecreëerd door de naburige momenten in het materiaal.
Nu vormen elektronen meestal een paar in atomen met veel elektronen. Paren worden gevormd tussen elektronen met tegengestelde spin, wat resulteert in het opheffen van het magnetische draaimoment.
De enige manier waarop de spin bijdraagt aan het totale magnetische moment is als een van hen ongepaard is, dat wil zeggen, het atoom heeft een oneven aantal elektronen.
Je vraagt je af wat er is met het magnetische moment van de protonen in de kern. Welnu, ze hebben ook een draaimoment, maar het wordt niet geacht significant bij te dragen aan het magnetisme van een atoom. Het is omdat het rotatiemoment omgekeerd evenredig is met de massa en de massa van het proton veel groter is dan die van het elektron..
In ijzer, kobalt en nikkel, de triade van elementen met een grote magnetische respons, is het netto spinmoment geproduceerd door de elektronen niet nul ... In deze metalen zijn de elektronen in de 3d orbitaal, de buitenste, degenen die bijdragen naar het netto magnetische moment. Dat is de reden waarom dergelijke materialen als ferromagnetisch worden beschouwd..
Dit individuele magnetische moment van elk atoom is echter niet voldoende om het gedrag van ferromagnetische materialen te verklaren..
Binnen sterk magnetische materialen worden regio's genoemd magnetische domeinen, waarvan de extensie kan oscilleren tussen 10-4 en 10-1 cm en met triljoenen atomen. In deze regio's slagen de netto spinmomenten van naburige atomen erin sterk te koppelen.
Wanneer een materiaal met magnetische domeinen een magneet nadert, worden de domeinen met elkaar uitgelijnd, waardoor het magnetische effect wordt versterkt.
Het is omdat domeinen, zoals staafmagneten, magnetische polen hebben, gelijkelijk aangeduid met Noord en Zuid, zodat dezelfde polen afstoten en tegenovergestelde polen elkaar aantrekken..
Terwijl de domeinen uitgelijnd zijn met het externe veld, zendt het materiaal krakende geluiden uit die door de juiste versterking kunnen worden gehoord.
Dit effect is zichtbaar wanneer een magneet de zachtijzeren nagels aantrekt en deze zich op hun beurt gedragen als magneten die andere nagels aantrekken.
Magnetische domeinen zijn geen statische grenzen die binnen het materiaal zijn vastgelegd. De grootte kan worden gewijzigd door het materiaal te koelen of te verwarmen en het ook te onderwerpen aan de werking van externe magnetische velden.
De groei van het domein is echter niet onbeperkt. Op het moment dat het niet meer mogelijk is om ze uit te lijnen, wordt gezegd dat het verzadigingspunt van het materiaal is bereikt. Dit effect wordt weerspiegeld in de hysteresiscurves hieronder..
Verhitting van het materiaal veroorzaakt verlies van uitlijning van de magnetische momenten. De temperatuur waarbij magnetisatie volledig verloren gaat, verschilt per materiaalsoort, voor een staafmagneet gaat het meestal verloren rond de 770ºC..
Zodra de magneet is verwijderd, gaat de magnetisatie van de nagels verloren door de te allen tijde aanwezige thermische beweging. Maar er zijn andere verbindingen die permanente magnetisatie hebben, omdat ze spontaan uitgelijnde domeinen hebben..
Magnetische domeinen kunnen worden gezien wanneer een vlak gebied van niet-gemagnetiseerd ferromagnetisch materiaal, zoals zacht ijzer, zeer goed is gesneden en gepolijst. Zodra dit is gebeurd, wordt het besprenkeld met poeder of fijn ijzervijlsel.
Onder de microscoop wordt waargenomen dat de chips gegroepeerd zijn op de mineraalvormende gebieden met een zeer goed gedefinieerde oriëntatie, volgens de magnetische domeinen van het materiaal.
Het verschil in gedrag tussen verschillende magnetische materialen is te wijten aan de manier waarop de domeinen zich daarin gedragen..
Magnetische hysterese is een kenmerk dat alleen materialen met een hoge magnetische permeabiliteit bezitten. Het is niet aanwezig in paramagnetische of diamagnetische materialen.
Vertegenwoordigt het effect van een aangelegd extern magnetisch veld, dat wordt aangeduid als H. over magnetische inductie B van een ferromagnetisch metaal tijdens een cyclus van magnetisatie en demagnetisatie. De weergegeven grafiek heeft de naam hysteresiscurve.
Aanvankelijk is er op punt O geen toegepast veld H. geen magnetische reactie B, maar als de intensiteit van H., inductie B neemt geleidelijk toe totdat de verzadigingsgrootte wordt bereikt Bs op punt A, wat wordt verwacht.
Nu de intensiteit van H. totdat het 0 wordt, daarmee bereikt men punt C, maar de magnetische respons van het materiaal verdwijnt niet, met behoud van een remanente magnetisatie gemarkeerd door waarde Br. Het betekent dat het proces niet omkeerbaar is.
Van daaruit de intensiteit van H. neemt toe maar met omgekeerde polariteit (negatief teken), zodat de remanente magnetisatie wordt opgeheven op punt D. De noodzakelijke waarde van H. wordt aangeduid als H.c en ontvangt de naam van dwingend veld.
De omvang van H. neemt toe totdat de verzadigingswaarde in E weer wordt bereikt en onmiddellijk de intensiteit van H. neemt af tot 0, maar er blijft een remanente magnetisatie met polariteit tegengesteld aan de eerder beschreven polariteit, op punt F.
Nu de polariteit van H. opnieuw en de grootte ervan wordt vergroot totdat de magnetische respons van het materiaal op punt G wordt opgeheven. Volgend op het pad GA wordt de verzadiging weer verkregen. Maar het interessante is dat je daar niet bent gekomen via het oorspronkelijke pad aangegeven door de rode pijlen.
Zacht ijzer is gemakkelijker te magnetiseren dan staal en door op het materiaal te tikken, worden de domeinen verder uitgelijnd..
Wanneer een materiaal gemakkelijk te magnetiseren en te demagnetiseren is, is dat zo magnetisch zacht, en als het tegenovergestelde gebeurt, is het natuurlijk een materiaal magnetisch hard. In de laatste zijn de magnetische domeinen klein, terwijl ze in de eerste groot zijn, daarom kunnen ze door de microscoop worden gezien, zoals hierboven beschreven..
Het gebied dat wordt omsloten door de hysteresiscurve is een maat voor de energie die nodig is om het materiaal te magnetiseren - demagnetiseren. De afbeelding toont twee hysteresiscurves voor twee verschillende materialen. De linker is magnetisch zacht, terwijl de rechter hard is.
Een zacht ferromagnetisch materiaal heeft een dwingend veld H.c kleine en een smalle en hoge hysteresiscurve. Het is een geschikt materiaal om in de kern van een elektrische transformator te plaatsen. Voorbeelden hiervan zijn zacht ijzer en silicium-ijzer- en ijzer-nikkellegeringen, bruikbaar voor communicatieapparatuur..
Anderzijds zijn magnetisch harde materialen moeilijk te de-magnetiseren als ze eenmaal zijn gemagnetiseerd, zoals het geval is met alnico-legeringen (aluminium-nikkel-kobalt) en zeldzame aardmetalen waarmee permanente magneten worden gemaakt..
Niemand heeft nog op dit artikel gereageerd.