Ferromagneettisten materiaalien ominaisuudet ja niiden käyttö tekniikassa

Sähkövirralla toimivan langan ympärillä, jopa tyhjiössä, on magneettikenttä… Ja jos aine viedään tähän kenttään, magneettikenttä muuttuu, koska mikä tahansa magneettikentässä oleva aine magnetoituu, eli se saa suuremman tai pienemmän magneettisen momentin, joka määritellään magneettikenttään liittyvien elementaaristen magneettisten momenttien summana. osia, jotka muodostavat kyseisen aineen.

Ilmiön ydin piilee siinä, että monien aineiden molekyyleillä on omat magneettimomenttinsa, koska molekyylien sisällä liikkuvat varaukset, jotka muodostavat elementaarisia pyöreitä virtoja ja niihin liittyy siksi magneettikenttiä. Jos aineeseen ei kohdisteta ulkoista magneettikenttää, sen molekyylien magneettiset momentit suuntautuvat satunnaisesti avaruuteen ja tällaisen näytteen kokonaismagneettikenttä (samoin kuin molekyylien kokonaismagneettinen momentti) on nolla.

Jos näyte viedään ulkoiseen magneettikenttään, sen molekyylien elementaaristen magneettisten momenttien suunta saa ensisijaisen suunnan ulkoisen kentän vaikutuksesta. Tämän seurauksena aineen kokonaismagneettinen momentti ei ole enää nolla, koska yksittäisten molekyylien magneettikentät uusissa olosuhteissa eivät kompensoi toisiaan. Siten aine kehittää magneettikentän B.

Jos aineen molekyyleillä ei aluksi ole magneettisia momentteja (sellaisia ​​aineita on), niin kun tällainen näyte viedään magneettikenttään, siinä indusoituu pyöreitä virtoja, eli molekyylit hankkivat magneettisia momentteja, jotka taas seurauksena johtaa kokonaismagneettisten kenttien B ilmestymiseen.

Suurin osa tunnetuista aineista on heikosti magnetoitunut magneettikentässä, mutta on myös aineita, jotka erottuvat vahvoista magneettisista ominaisuuksista, ns. ferromagneetteja… Esimerkkejä ferromagneeteista: rauta, koboltti, nikkeli ja niiden seokset.

Ferromagneetteja ovat kiinteät aineet, joilla on alhaisissa lämpötiloissa spontaani (spontaani) magnetoituminen, joka vaihtelee merkittävästi ulkoisen magneettikentän, mekaanisen muodonmuutoksen tai lämpötilan muutoksen vaikutuksesta. Näin käyttäytyvät teräs ja rauta, nikkeli ja koboltti ja seokset. Niiden magneettinen läpäisevyys on tuhansia kertoja suurempi kuin tyhjiön.

Tästä syystä sähkötekniikassa sitä käytetään perinteisesti magneettivuon johtamiseen ja energian muuntamiseen ferromagneettisista materiaaleista valmistetut magneettiytimet.

Tällaisissa aineissa magneettiset ominaisuudet riippuvat magnetismin alkukantajien magneettisista ominaisuuksista - atomien sisällä liikkuvia elektroneja… Tietenkin elektronit, jotka liikkuvat kiertoradalla atomeissa ytimensä ympärillä, muodostavat pyöreitä virtoja (magneettisia dipoleja). Mutta tässä tapauksessa elektronit pyörivät myös akseleidensa ympäri luoden spin-magneettisia momentteja, joilla on yksinkertaisesti päärooli ferromagneettien magnetoinnissa.

Ferromagneettiset ominaisuudet ilmenevät vain, kun aine on kiteisessä tilassa. Lisäksi nämä ominaisuudet ovat erittäin riippuvaisia ​​lämpötilasta, koska lämpöliike estää elementaaristen magneettisten momenttien vakaan suuntautumisen. Joten jokaiselle ferromagneetille määritetään tietty lämpötila (Curie-piste), jossa magnetointirakenne tuhoutuu ja aineesta tulee paramagneetti. Esimerkiksi raudalla se on 900 ° C.

Jopa heikoissa magneettikentissä ferromagneetit voidaan magnetoida kyllästymiseen. Lisäksi niiden magneettinen permeabiliteetti riippuu käytetyn ulkoisen magneettikentän suuruudesta.

Magnetointiprosessin alussa magneettinen induktio B vahvistuu ferromagneettisessa, mikä tarkoittaa magneettinen permeabiliteetti se on hienoa. Mutta kun kyllästyminen tapahtuu, ulkoisen kentän magneettisen induktion lisääminen ei enää johda ferromagneetin magneettikentän kasvuun, ja siksi näytteen magneettinen permeabiliteetti on laskenut, nyt se on yleensä 1.

Ferromagneettien tärkeä ominaisuus on loput… Oletetaan, että kelaan laitetaan ferromagneettinen sauva ja lisäämällä kelan virtaa se kyllästyy. Sitten kelan virta katkaistiin, eli kelan magneettikenttä poistettiin.

On mahdollista huomata, että sauvaa ei ole demagnetoitu tilaan, jossa se oli alussa, sen magneettikenttä on suurempi, eli jäännösinduktio. Tankoa pyöritettiin tällä tavalla kestomagneettiin.

Tällaisen sauvan demagnetoimiseksi takaisin on tarpeen soveltaa siihen ulkoista magneettikenttää vastakkaisella suunnalla ja induktiolla, joka on yhtä suuri kuin jäännösinduktio. Magneettikentän induktiomoduulin arvo, joka on kohdistettava magnetoituun ferromagneettiin (kestomagneetti), jotta se demagnetisoituu, on ns. pakkovoima.

Ilmiö, jossa ferromagneetin magnetoinnin aikana induktio jää jäljessä käytetyn magneettikentän induktiosta, on ns. magneettinen hystereesi (katso - Mitä on hystereesi).

Magnetisaatiokäyrät (hystereesisilmukat) eri ferromagneettisille materiaaleille eroavat toisistaan.

Joissakin materiaaleissa on leveät hystereesisilmukat - nämä ovat materiaaleja, joilla on korkea jäännösmagnetoituminen, niitä kutsutaan magneettisesti koviksi materiaaleiksi. Kestomagneettien valmistuksessa käytetään kovia magneettisia materiaaleja.

Päinvastoin, pehmeillä magneettisilla materiaaleilla on kapea hystereesisilmukka, alhainen jäännösmagnetointi ja ne ovat helposti magnetoituvia heikoissa kentissä. Nämä ovat pehmeitä magneettisia materiaaleja, joita käytetään muuntajien, moottorin staattorien jne. magneettisydäminä.

Ferromagneeteilla on nykyään erittäin tärkeä rooli tekniikassa. Pehmeitä magneettisia materiaaleja (ferriittejä, sähköterästä) käytetään sähkömoottoreissa ja generaattoreissa, muuntajissa ja kuristimissa sekä radiotekniikassa. Ferriitit on valmistettu induktoriytimet.

Kestomagneettien valmistukseen käytetään kovia magneettisia materiaaleja (bariumin ferriittejä, kobolttia, strontiumia, neodyymi-rauta-booria). Kestomagneetteja käytetään laajalti sähkö- ja akustisissa instrumenteissa, moottoreissa ja generaattoreissa, magneettisissa kompasseissa jne.