Kernkonsepte van Magneetmateriaal
Die Magnetiese Dipoolmoment
Wanneer blootgestel aan dieselfde buiteste magnetiese veld, kan verskillende materiale baie verskillende reaksies vertoon. Om die onderliggende redes te verstaan, moet ons eers begryp hoe magnetiese dipole die magnetiese gedrag beheer. Hierdie begrip begin met 'n ondersoek na die magnetiese dipoolmoment.
Die magnetiese dipoolmoment, dikwels kortweg die magnetiese moment genoem, is 'n fundamentele konsep in elektromagnetisme. Dit bied 'n kragtige instrument om die interaksie tussen 'n stroomdraende lus en 'n uniforme magnetiese veld te verstaan en kwantifiseer. Die magnetiese moment van 'n stroomlus, wat 'n oppervlak A het en 'n stroom I dra, word as volg gedefinieer:
Let op dat die oppervlak as 'n vektor gedefinieer word, wat die magnetiese moment ook 'n vektorgrootte maak. Beide vektore het dieselfde rigting.
Die rigting van die magnetiese moment is loodreg op die vlak van die lus. Dit kan gevind word deur die regterhandreël toe te pas—As jy die vingers van jou regterhand in die rigting van die stroomvloei saamkrul, wys jou duim die rigting van die magnetiese momentvektor. Dit word geïllustreer in Figuur 1.
Die magnetiese moment van 'n lus word slegs bepaal deur die stroom wat deur dit vloei en die oppervlak wat dit insluit. Dit bly onveranderd deur die vorm van die lus.
Koppel en die Magnetiese Moment
Sien na Figuur 2, wat 'n stroomdraende lus in 'n uniforme magnetiese veld wys.
In die figuur hierbo:
I stel die stroom voor.
B dui die magnetiese veldvektor aan.
u staan vir die magnetiese moment.
θ dui die hoek tussen die magnetiese momentvektor en die magnetiese veldvektor aan.
Aangesien die kragte wat op die teenoorstaande kante van die lus werk mekaar neutraliseer, som die totale krag op die lus tot nul op. Tog is die lus onderwerp aan 'n magnetiese koppel. Die grootte van hierdie koppel wat op die lus uitgeoefen word, word as volg gegee:
Uit Vergelyking 2 kan ons duidelik sien dat die koppel (t) direk korreleer met die magnetiese moment. Dit is omdat die magnetiese moment soos 'n magneet optree; wanneer dit in 'n buiteste magnetiese veld geplaas word, ervaar dit 'n koppel. Hierdie koppel het altyd 'n neiging om die lus na die stabiele ewewigposisie te roteer.
Stabiele ewewig word bereik wanneer die magnetiese veld loodreg op die vlak van die lus is (d.w.s.,θ=0^o ). As die lus liggies weg van hierdie posisie geroteer word, sal die koppel die lus terug na die ewewigstoestand herstel. Die koppel is ook nul wanneer θ=180^o . In hierdie geval is die lus egter in 'n onstabiele ewewig. 'n Klein rotasie vanaf θ=180^o sal die koppel veroorsaak om die lus verder weg van hierdie punt te dryf en na θ=0^o toe.
Waarom is die Magnetiese Moment Belangrik?
Baie toestelle hang af van die interaksie tussen 'n stroomlus en 'n magnetiese veld. Byvoorbeeld, die koppel wat deur 'n elektriese motor gegenereer word, is gebaseer op die interaksie tussen die motor se magnetiese veld en die stroomdraende geleiders. Tydens hierdie interaksie, varieer die potensiële energie terwyl die geleiders roteer.
Dit is die interaksie tussen die magnetiese moment en die buiteste magnetiese veld wat potensiële energie in ons magnetiese stelsel gee. Die hoek tussen hierdie twee vektore bepaal die hoeveelheid energie (U) wat in die stelsel gestoor word, soos in die volgende vergelyking getoon:
Hier volg die gestoorde energiewaardes vir verskeie belangrike konfigurasies:
Wanneer θ=0^o , is die stelsel in 'n stabiele ewewigstoestand, en die gestoorde energie bereik sy minimum, met U=-uB.
Wanneer θ=90^o , het die gestoorde energie gestyg tot U=0 .
Wanneer θ=180^o, bereik die gestoorde energie sy maksimumwaarde, U=uB . Hierdie spesifieke toestand stel die onstabiele ewewigposisie voor.
Verstaan van die Nettomagnetiese Moment deur die Atoommodel
Om volledig te verstaan hoe magnetiese materiale 'n magnetiese veld genereer, is 'n indringende studie van kwantummeeganika noodsaaklik. Tog, aangesien daardie onderwerp buite die omvang van hierdie artikel val, kan ons steeds die konsep van die magnetiese moment en die klassieke atoommodel gebruik om waardevolle insigte te kry oor hoe materiale met 'n buiteste magnetiese veld interakteer.
Hierdie model stel 'n elektron voor as beide orbitërend om die atoomkern en rondom sy eie as draaiend, soos levendig getoon in Figuur 3.
Die Nettomagnetiese Moment van Elektrone, Atome en Obekte
Die orbitêre beweging van 'n elektron kan vergelyk word met 'n klein stroomdraende lus. As gevolg hiervan genereer dit 'n magnetiese moment (gedui as (u1 )in die figuur hierbo). Op dieselfde manier gee die draai van die elektron ook 'n magnetiese moment (u2). Die nettomagnetiese moment van 'n elektron is die vektorsom van hierdie twee magnetiese momente.
Vir 'n atoom, is sy nettomagnetiese moment die vektorsom van die magnetiese momente van al sy elektrone. Alhoewel protonne in 'n atoom ook 'n magnetiese dipool het, hul algemene effek is tipies verwaarloosbaar in vergelyking met dié van elektrone.
Die nettomagnetiese moment van 'n objek word bepaal deur die vektorsom van die magnetiese momente van al die atome binne dit te neem.
Die Magnetisasieverktor
Die magnetiese eienskappe van 'n materiaal word bepaal deur die magnetiese momente van sy bestanddele. Soos vroeër in hierdie artikel bespreek, kan hierdie magnetiese momente gedink word as piepkleine magneete. Wanneer 'n materiaal in 'n buiteste magnetiese veld geplaas word, interakteer die atoommagnetiese momente binne die materiaal met die aangebragte veld en ervaar 'n koppel. Hierdie koppel het 'n neiging om die magnetiese momente in dieselfde rigting te lig.
Die magnetiese toestand van 'n stof hang af van twee faktore: die aantal atoommagnetiese momente in die materiaal en die mate van hul uitlynings. As die magnetiese momente wat deur mikroskopiese stroomlusse gegenereer word, lukraak gerig is, sal hulle mekaar tendeereliek kanselleer, wat lei tot 'n minimaal netto magnetiese veld. Om die magnetiese toestand van die stof te beskryf, stel ons die magnetisasieverktor voor. Dit word gedefinieer as die totale magnetiese moment per eenheid volume van die stof:
waar V die volume van die materiaal verteenwoordig.
Wanneer die materiaal blootgestel word aan 'n buiteste magnetiese veld, neig sy magnetiese momente om uit te lyn, wat lei tot 'n toename in die grootte van die magnetisasieverktor. Die eienskappe van die magnetisasieverktor word ook beïnvloed deur die klassifikasie van die materiaal as paramagneties, ferromagneties of diamagneties.
Paramagnetiese en ferromagnetiese materiale bestaan uit atome met permanente magnetiese momente. Inteendeel, die atoommagnetiese momente in diamagnetiese materiale is nie permanent nie.
Vind die Totaal Magnetiese Veld: Permeabiliteit en Versekerbaarheid
Gestel ons plaas 'n materiaal binne 'n magnetiese veld. Die totaal magnetiese veld binne die materiaal het twee onderskeidelike bronne:
Die buiteste aangebragte magnetiese veld (B0).
Die magnetisasie van die materiaal as reaksie op die buiteste veld (Bm).
Die totaal magnetiese veld binne die materiaal is die som van hierdie twee komponente:
B0 word geproduseer deur 'n stroomdraende geleider; Bm word geproduseer deur die magnetiese stof. Dit kan getoon word dat Bm proporsioneel is aan die magnetisasieverktor:
waar μ0 'n konstante is wat die permeabiliteit van vry ruimte genoem word. Daarom het ons:
Die magnetisasieverktor is ook verwant aan die buiteste veld deur die volgende vergelyking:
waar die Griekse letter χ 'n proporsionaliteitsfaktor is wat die magnetiese versekerbaarheid genoem word. Die waarde van χ hang af van die tipe materiaal.
Deur die laaste twee vergelykings te kombineren, het ons:
Die Betekenis van die Vergelyking en Relatiewe Permeabiliteit
Hierdie vergelyking het 'n intuïtiewe interpretasie: dit dui daarop dat die totaal magnetiese veld binne die materiaal ekwivalent is aan die buiteste aangebragte magnetiese veld vermenigvuldig met die faktor 1+x . Hierdie faktor, bekend as die relatiewe permeabiliteit, dien as 'n belangrike parameter om te karakteriseer hoe 'n materiaal reageer op 'n magnetiese veld. Die relatiewe permeabiliteit word algemeen aangedui deur ur.
Magnetiese Versekerbaarheid van Verskillende Materiale
Figuur 4 illustreer die magnetiese gedrag van drie verskillende tipes materiale wanneer hulle in 'n uniforme magnetiese veld geplaas word. Die binnekant van die materiaal word voorgestel deur 'n geel reghoek.
Magnetiese Versekerbaarheid van Verskillende Materiale
In Figuur 4(a), is die magnetiese veldlyne binne die materiaal wyer gesprei in vergelyking met dié buite. Dit dui daarop dat die totaal magnetiese veld binne 'n diamagnetiese materiaal liggies swakker is as die buiteste aangebragte veld. Vir diamagnetiese materiale, is die magnetiese versekerbaarheid (X) 'n klein negatiewe waarde. Byvoorbeeld, by 300 K, het koper 'n magnetiese versekerbaarheid van –9.8 × 10⁻⁶. As gevolg hiervan repelleer die materiaal gedeeltelik die magnetiese veld van sy binnekant.
Figuur 4(b) demonstreer die reaksie van 'n paramagnetiese materiaal. Hier is die magnetiese veldlyne binne die materiaal nader saamgepak as dié van die buiteste veld. Dit impliseer dat die totaal magnetiese veld binne die materiaal liggies sterker is as die buiteste veld. Vir paramagnetiese materiale, is X 'n klein positiewe waarde. Byvoorbeeld, by 300 K, is die magnetiese versekerbaarheid van lithium 2.1 × 10⁻⁵.
Laastens, in Figuur 4(c), versteer die ferromagnetiese materiaal die magnetiese veldlyne, wat lei tot hulle wat deur die materiaal gaan. Die materiaal word gemagnetiseer, wat die magnetiese veld binne betydelik verhoog. Vir ferromagnetiese materiale, het X 'n positiewe waarde wat varieer van 1,000 tot 100,000. As gevolg van hul hoë magnetiese versekerbaarheid, genereer hierdie materiale 'n magnetiese veld wat baie sterker is as die buiteste aangebragte een.
Het moet opgemerk word dat vir ferromagnetiese materiale, is X nie 'n konstante nie. Gevolglik is die magnetisasie (M) nie 'n lineêre funksie van die buiteste aangebragte magnetiese veld (B0) nie.
Opsomming
Magnetiese materiale is kragtig in 'n wye verskeidenheid toepassings, insluitend transformateurs, motore, en data-opslagtoestelle. Die magnetiese toestand van 'n stof hang af van die aantal atoommagnetiese momente in die materiaal en hoe goed hulle uitlyne in die teenwoordigheid van 'n buiteste magnetiese veld. Soos kortliks bespreek, kan ons magnetiese materiale in drie tipes klassifiseer op grond van hierdie kriteria: paramagneties, diamagneties, en ferromagneties. Ons sal hierdie kategorieë in meer detail in 'n toekomstige artikel verken.
