Magneetmaterjalide põhitõed
Magneetiline dipoolmoment
Kui erinevad materjalid on välise magneetväli mõju all, võivad nad näidata väga erinevat reaktsiooni. Selle põhjuste uurimiseks peame esmalt mõistma, kuidas magneetdipoodid mõjutavad magneetilist käitumist. See mõistmine algab magneetilise dipoolmomendi uurimisega.
Magneetiline dipoolmoment, mida sageli lihtsalt magneetmomendina nimetatakse, on elektromagnetikas põhiline mõiste. See pakub võimsat tööriistat selleks, et mõista ja kvantifitseerida vooluvedava silindri ja ühtlase magneetväli vahelist interaktsiooni. Vooluvedava silindri magneetmoment, millel on pindala A ja mis kannab voolu I, defineeritakse järgmiselt:
Pange tähele, et pindala on defineeritud vektoriga, mis muudab magneetmomendi ka vektori suuruseks. Mõlemad vektorid omavad sama suunda.
Magneetmomendi suund on risti silindri tasandiga. Seda saab leida parempära eeskirja abil — kui teie parem käte sõrmelõiked kerivad voolu suunas, näitab teie hüümeluu magneetmomendi vektori suunda. See on illustreeritud Joonis 1-ig.
Silindri magneetmoment määratakse ainult voolu, mis selle läbi voolab, ja selle poolt ümbritsetud alaga. See jääb muutumatuks silindri kuju olenemata.
Moment ja magneetmoment
Vaata Joonist 2, mis näitab vooluvedava silindri asukohta ühtlasest magneetvälistes tingimustes.
Joonisel on näha:
I tähistab voolu.
B tähistab magneetväli vektorit.
u tähistab magneetmomendi.
θ tähistab magneetmomendi vektori ja magneetväli vektori vahelist nurga.
Kuna vastastikused jõud, mis mõjutavad silindri vastaskülgi, kompenseerivad teineteist, summeeruvad silindri peale mõjutavad jõud nulliks. Siiski on silinder magneetmomenti all. Selle momenti suurus, mis mõjutab silindrit, on järgmine:
Võrrandist 2 saame selgelt näha, et moment (t) on otseses seoses magneetmomendiga. See on sellepärast, et magneetmoment käitub nagu magnet; kui see asetatakse välise magneetväli all, kogeb see momenti. See moment viib alati silindri pööramisele stabiilse tasakaalu asukohasse.
Stabiilne tasakaal saavutatakse, kui magneetväli on risti silindri tasandiga (st θ=0^o). Kui silindrit veidi pööratakse sellest asukohast, siis moment toimib silindri tagasi tasakaalupunktisse taastamiseks. Moment on ka null, kui θ=180^o. Sel juhul on silinder ebastabiilses tasakaalus. Väike pööramine θ=180^ost tõstab momenti, mis viib silindrit edasi ja suunab selle θ=0^o suunas.
Miks on magneetmoment oluline?
Paljud seadmed sõltuvad vooluvedava silindri ja magneetväli vahelistest interaktsioonidest. Näiteks elektrimootori poolt genereeritud moment põhineb mootori magneetväli ja vooluvedavaid joontelejooni vahelisel interaktsioonil. Selle interaktsiooni käigus muutub potentsiaalenergia, kui joontelejooned keerlevad.
On just magneetmomendi ja välise magneetväli vaheline interaktsioon, mis annab potentsiaalenergia meie magneetsüsteemile. Need kaks vektori vaheline nurk määrab süsteemi sees salvestatud energia (U) hulka, nagu järgmisel võrrandil näha:
Järgnevad on salvestatud energia väärtused mitmes olulisel konfiguratsioonil:
Kui θ=0^o, on süsteem stabiilses tasakaalus ja salvestatud energia on oma minimaalses väärtuses, U=-uB.
Kui θ=90^o, on salvestatud energia tõusnud U=0-ni.
Kui θ=180^o, on salvestatud energia saanud oma maksimaalse väärtuse, U=uB. See konkreetne olek tähistab ebastabiilset tasakaalupunkti.
Netomagneetmomendi mõistmine atoomide mudeli kaudu
Magneetiliste materjalide magneetväli loomise täieliku mõistmiseks on vaja sügavdume kvantmehaanikas. Kuid kuna see teema on selle artikli ulatusest väljas, saame kasutada magneetmomendi mõistet ja klassikalise atoomide mudeli, et saada väärtuslikku teavet, kuidas materjalid interakteeruvad välise magneetväliga.
See mudel kujutab elektronit nii orbiitides, kui ka spinnides oma telje ümber, nagu selgelt näha Joonisel 3.
Elektronide, atoomide ja objektide netomagneetmoment
Elektroni orbiitmõju võib võrrelda väikese vooluvedava silindriga. Seetõttu genereerib see magneetmomendi (tähistatud u1-iga ülaltoodud joonisel). Samuti tekkitab elektroni spinn magneetmomendi (u2). Elektroni netomagneetmoment on nende kahe magneetmomendi vektori summa.
Atoomi netomagneetmoment on selle kõigi elektronide magneetmomentide vektori summa. Kuigi atoomi protonid omavad ka magneetdipoole, on nende üldine mõju tavaliselt negligeeritav võrreldes elektronidega.
Objekti netomagneetmoment määratakse selle kõigi atoomide magneetmomentide vektori summaga.
Magnetiseerimise vektor
Materjali magneetilised omadused määratakse selle osakesi magneetmomentidega. Nagu eespool artiklis mainitud, saab need magneetmomendid mõelda väikeseks magnetideks. Kui materjal asetatakse välise magneetväli all, interakteeruvad selle sees olevad atoomide magneetmomendid rakendatud väljaga ja kogevad momenti. See moment viib magneetmomentide sama suunalises orienteerimises.
Materjali magneetiline olek sõltub kahest tegurist: atoomide magneetmomentide arvust materjalis ja nende suunalise orienteerimise astmest. Kui mikroskoopiliste vooluvedavaid silindrite poolt genereeritud magneetmomendid on juhuslikult orienteeritud, tuleb neid kumerdata, mis tuletab negligeeritava netomagneetväli. Materjali magneetilise oleku kirjeldamiseks tuuakse sisse magnetiseerimise vektor. See on defineeritud kui materjali ühiku ruumala kohta kokku pandud magneetmoment:
kus V tähistab materjali ruumala.
Kui materjali asetatakse välise magneetväli all, tema magneetmomendid tendeerivad orienteeruma, mis viib magnetiseerimise vektori suurenemiseni. Magnetiseerimise vektori omadusi mõjutavad ka materjali klassifitseerimine paramagnetiliseks, ferromagnetiliseks või diameagnetiliseks.
Paramagnetilised ja ferromagnetilised materjalid koosnevad atoomidest, millel on püsivad magneetmomendid. Diameagnetiliste materjalide atoomide magneetmomendid aga ei ole püsivad.
Kokkuhoiu magneetväli: permeabilitet ja suszeptibilitet
Kui asetame materjali magneetväli all, on materjali sees oleva kokkuhoiu magneetväli kaks erinevat allikat:
Väliselt rakendatud magneetväli (B0).
Materjali magnetiseerimine välise välja vastu (Bm).
Materjali sees olev kokkuhoiu magneetväli on nende kahe komponendi summa:
B0 toodetakse vooluvedava joonte poolt; Bm toodetakse magneetilise substanssi poolt. On näidatud, et Bm on proportsionaalne magnetiseerimise vektoriga:
kus μ0 on vakuumi permeabilitetiks nimetatav konstant. Seega, meil on:
Magnetiseerimise vektor on seotud välise väljaga järgmise võrrandiga:
kus kreeka täht χ on proportsionaalsuse tegur, mida nimetatakse magneetsuse suszeptibilitetiks. X väärtus sõltub materjali tüübist.
Viimaste kahe võrrandi kombinatsioon annab:
Võrrandi ja suhtelise permeabiliteti tähtsus
See võrrand on intuitiivselt mõistetav: see näitab, et materjali sees olev kokkuhoiu magneetväli on võrdne väliselt rakendatud magneetväljaga korrutatud faktoriga 1+x. See faktor, mida nimetatakse suhteliseks permeabilitetiks, on oluline parameeter, mis karakteriseerib, kuidas materjal vastab magneetväljale. Suhteline permeabilitet on tavaliselt tähistatud ur-ga.
Erinevate materjalide magneetsuslik suszeptibilitet
Joonis 4 näitab kolme erineva tüübi materjalide magneetilist käitumist, kui need asetatakse ühtlasesse magneetväli. Materjali sisemine ala on esitatud kollase ristkülikuna.
Erinevate materjalide magneetsuslik suszeptibilitet
Joonisel 4(a) on materjali sees olevad magneetvälijooned laiemad kui need, mis on materjali väljas. See näitab, et diameagnetilise materjali sees olev kokkuhoiu magneetväli on veidi nõrgem kui väliselt rakendatud väli. Diameagnetiliste materjalide puhul on magneetsuslik suszeptibilitet (X) väike negatiivne väärtus. Näiteks 300 K korral on vasku magneetsuslik suszeptibilitet –9.8 × 10⁻⁶. Seetõttu repelleerib materjal osaliselt magneetväli oma sees.
Joonisel 4(b) on näha paramagnetilise materjali reaktsioon. Siin on materjali sees olevad magneetvälijooned tihemad kui välise magneetvälijooned. See viitab, et materjali sees olev kokkuhoiu magneetväli on veidi tugevam kui väliselt rakendatud väli. Paramagnetiliste materjalide puhul on X väike positiivne väärtus. Näiteks 300 K korral on lüütiumi magneetsuslik suszeptibilitet 2.1 × 10⁻⁵.
Lõpuks, Joonisel 4(c), ferromagnetiline materjal distordib magneetvälijooned, viies need läbi materjali. Materjal magnetiseerub, oluliselt tugevdades materjali sees olevat magneetväli. Ferromagnetiliste materjalide puhul on X positiivne väärtus, mis ulatub 1,000 kuni 100,000. Nende kõrge magneetsusliku suszeptibiliteti tõttu genereerivad need materjalid palju tugevama magneetväli, kui see, mis on rakendatud väliselt.
Oluline on märkida, et ferromagnetiliste materjalide puhul ei ole X konstant. Seetõttu ei ole magnetiseerimine (M) lineaarne funktsioon rakendatud magneetvälja (B0) suhtes.
Lõpetuseks
Magneetilised materjalid on olulised paljudes rakendustes, sealhulgas transformatortes, mootorites ja andmete salvestamise seadmetes. Substansi magneetiline olek sõltub atoomide magneetmomentide arvust materjalis ja nende suunalise orienteerimise astmest välise magneetväli all. Kui eelnevalt mainitud, saame klassifitseerida magneetilisi materjale kolme tüübi: paramagnetilise, diameagnetilise ja ferromagnetilise. Need kategooriad uurime tulevikus rohkem detailides.
