Ключови концепции на магнитните материали
Магнитният диполен момент
Когато са изложени на едно и също външно магнитно поле, различни материали могат да покажат много различни реакции. За да разберем основните причини, първо трябва да разберем как магнитните диполи управляват магнитното поведение. Това разбиране започва с изследване на магнитния диполен момент.
Магнитният диполен момент, често наричан просто магнитен момент, служи като фундаментален концепт в електромагнетизма. Той предоставя мощен инструмент за разбиране и квантифициране взаимодействието между тока, който минава през контур, и равномерно магнитно поле. Магнитният момент на контур, който има площ A и пропуска ток I, се дефинира по следния начин:
Забележете, че площта се дефинира като вектор, което прави магнитния момент векторна величина. Двата вектора имат една и съща посока.
Посоката на магнитния момент е перпендикулярна на равнината на контура. Може да се намери, като се приложи правилото за дясната ръка—ако свийте пръстите на дясната си ръка в посоката на тока, показалецът ви ще покаже посоката на вектора на магнитния момент. Това е илюстрирано на фигура 1.
Магнитният момент на контура се определя само от тока, който минава през него, и площта, която обхваща. Остава непроменен от формата на контура.
Момент и магнитният момент
Вижте фигура 2, която изобразява контур, през който минава ток, поставен в равномерно магнитно поле.
На фигурата, представена по-горе:
I представлява тока.
B означава вектора на магнитното поле.
u означава магнитния момент.
θ указва ъгъла между вектора на магнитния момент и вектора на магнитното поле.
Тъй като силите, действащи в противоположните страни на контура, се компенсират, общата сила, действаща върху контура, е нула. Въпреки това, контурът е подложен на магнитен момент. Големината на този момент, приложена върху контура, се дава по следния начин:
От уравнение 2 ясно се вижда, че момента (t) е пряко свързан с магнитния момент. Това е така, защото магнитният момент действа като магнит; когато е поставен във външно магнитно поле, той изпитва момент. Този момент винаги има тенденция да завърти контура към стабилната равновесна позиция.
Стабилното равновесие се постига, когато магнитното поле е перпендикулярно на равнината на контура (т.е., θ=0^o). Ако контурът е леко завъртян от тази позиция, моментът ще действа, за да върне контура обратно към равновесното състояние. Моментът е също нула, когато θ=180^o. Но в този случай, контурът е в нестабилно равновесие. Леко завъртане от θ=180^o ще предизвика моментът да отдалечи контура още повече от тази точка и да го насочи към θ=0^o .
Защо магнитният момент е важен?
Много устройства зависят от взаимодействието между контур, през който минава ток, и магнитно поле. Например, моментът, генериран от електрическия мотор, е основан на взаимодействието между магнитното поле на мотора и проводниците, през които минава ток. По време на това взаимодействие, потенциалната енергия варира, докато проводниците се въртят.
Ето взаимодействието между магнитния момент и външното магнитно поле, което дава потенциална енергия в нашата магнитна система. Ъгълът между тези два вектора определя количеството енергия (U), съхранено в системата, както е показано в следното уравнение:
Следното показва стойностите на съхранената енергия за няколко ключови конфигурации:
Когато θ=0^o, системата е в стабилно равновесно състояние, и съхранената енергия достига минимум, с U=-uB.
Когато θ=90^o, съхранената енергия е нараснала до U=0 .
Когато θ=180^o, съхранената енергия достига максимална стойност, U=uB. Това конкретно състояние представлява нестабилното равновесно положение.
Разбиране на общия магнитен момент чрез атомния модел
За да разберем напълно как магнитните материали генерират магнитно поле, е необходимо да се изучи квантовата механика. Но тъй като тази тема излиза извън рамките на тази статия, все пак можем да използваме концепцията за магнитния момент и класическия атомен модел, за да получим ценни възгледи относно това как материалите взаимодействат с външно магнитно поле.
Този модел изобразява електрона както като обикалящ ядрото на атома, така и като въртящ се около собствената си ос, както е ярко показано на фигура 3.
Общият магнитен момент на електрони, атоми и обекти
Орбиталното движение на електрона може да бъде сравняно с малък контур, през който минава ток. Следователно, то генерира магнитен момент (обозначен като (u1) на фигурата по-горе). Подобно на това, въртенето на електрона също дава магнитен момент (u2). Общият магнитен момент на електрона е векторната сума на тези два магнитни момента.
За атом, неговият общ магнитен момент е векторната сума на магнитните момента на всичките му електрони. Въпреки че протоните в атома също притежават магнитен дипол, техният обобщен ефект обикновено е пренебрегив, когато се сравнява с този на електроните.
Общият магнитен момент на обект се определя, като се вземе векторната сума на магнитните момента на всички атоми в него.
Векторът на намагничаване
Магнитните свойства на материал се определят от магнитните момента на неговите съставни частици. Както вече беше обсъдено в тази статия, тези магнитни момента могат да се считат за малки магнити. Когато материал е поставен във външно магнитно поле, атомните магнитни момента в материалa взаимодействат с приложено поле и изпитват момент. Този момент има тенденция да пореди магнитните момента в една и съща посока.
Магнитното състояние на вещество зависи от две фактора: броят на атомните магнитни момента, налични в материалa, и степента на тяхното пореждане. Ако магнитните момента, генерирани от микроскопични контури, са произволно ориентирани, те ще тенденция да се аннулират, водейки до незначително обобщено магнитно поле. За да опишем магнитното състояние на веществото, въвеждаме вектора на намагничаване. Той се дефинира като общият магнитен момент на единица обем на веществото:
където V представлява обема на материала.
Когато материалът е изложен на външно магнитно поле, неговите магнитни момента се стремят да се поредят, довеждайки до увеличаване на големината на вектора на намагничаване. Характеристиките на вектора на намагничаване също са влияни от класификацията на материала като параметричен, феромагнитен или диамагнитен.
Параметричните и феромагнитните материали се състоят от атоми с постоянни магнитни момента. В сравнение, атомните магнитни момента в диамагнитните материали не са постоянни.
Намиране на общото магнитно поле: проницаемост и восприимчивост
Да предположим, че поставим материал в магнитно поле. Общото магнитно поле вътре в материала има две различни източника:
Приложено външно магнитно поле (B0).
Намагничаването на материала в отговор на външното поле (Bm).
Общото магнитно поле вътре в материала е сумата от тези две компоненти:
B0 се произвежда от проводник, през който минава ток; Bm се произвежда от магнитното вещество. Може да се покаже, че Bm е пропорционален на вектора на намагничаване:
където μ0 е константа, наречена проницаемост на свободното пространство. Следователно, имаме:
Векторът на намагничаване също е свързан с външното поле чрез следното уравнение:
където гръцката буква χ е пропорционален фактор, известен като магнитна восприимчивост. Стойността на χ зависи от типа на материала.
Комбинирайки последните две уравнения, имаме:
Значението на уравнението и относителна проницаемост
Това уравнение има интуитивна интерпретация: то показва, че общото магнитно поле вътре в материала е равно на приложено външно магнитно поле, умножено по фактор 1+χ. Този фактор, наречен относителна проницаемост, служи като ключов параметър за характеризиране на отговора на материал в магнитно поле. Относителната проницаемост обикновено се означава с ur.
Магнитна восприимчивост на различни материали
Фигура 4 изобразява магнитното поведение на три различни типа материали, когато са поставени в равномерно магнитно поле. Вътрешната област на материала е представена с жълт правоъгълник.
Магнитна восприимчивост на различни материали
На фигура 4(a), магнитните линии вътре в материала са по-разпръснати в сравнение с тези вън. Това показва, че общото магнитно поле в диамагнитен материал е леко по-слабо от приложено външно поле. За диамагнитни материали, магнитната восприимчивост (X) е малка отрицателна стойност. Например, при 300 K, медта има магнитна восприимчивост –9.8 × 10⁻⁶. Следователно, материалът частично отблъсква магнитното поле от вътрешността си.
Фигура 4(b) демонстрира отговора на параметричен материал. Тук, магнитните линии вътре в материала са по-плътно сгъстени в сравнение с външното поле. Това означава, че общото магнитно поле вътре в материала е леко по-силно от външното поле. За параметрични материали, X е малка положителна стойност. Например, при 300 K, магнитната восприимчивост на лития е 2.1 × 10⁻⁵.
Накрая, на фигура 4(c), феромагнитният материал деформира магнитните линии, карайки ги да минават през материала. Материалът се намагнichava, значително увеличавайки магнитното поле вътре. За феромагнитни материали, X има положителна стойност в диапазона от 1,000 до 100,000. Благодарение на тяхната висока магнитна восприимчивост, тези материали генерират магнитно поле, което е много по-силно от приложено външно поле.
Важно е да се отбележи, че за феромагнитни материали, X не е константа. Следователно, намагничаването (M) не е линейна функция на приложено външно магнитно поле (B0).
Заключение
Магнитните материали са от ключово значение в широк спектър от приложения, включително трансформатори, мотори и устройства за съхранение на данни. Магнитното състояние на вещество зависи от броя на атомните магнитни момента в материалa и от това колко добре те се пореждат в присъствието на външно магнитно поле. Както беше кратко обсъдено, можем да класифицираме магнитните материали в три типа на основата на тези критерии: параметрични, диамагнитни и феромагнитни. Ще разгледаме тези категории по-подробно в бъдеща статия.
