Magnetiko Materialen Oinarrizko Konzeptuak

Magnetiko dipolo momentua

Besteren artean, desberdintasun handiak dituzten erantzunak izan ditzake material desberdinak batera magnetiko berdina aplikatzean. Arrazoien oinarriak ulertzeko, lehenik eta behin, magnetiko dipoloei zuzendutako magneko portaeraren kontzeptua ulertu behar da. Ikerketa hau magnetiko dipolo momentuan hasita da.

Magnetiko dipolo momentua, arrazoi sinpleentzat adierazteko askotan “magnetiko momentua” bezala deitzen da, elektrizitate eta magnetismoaren kontzeptu nagusia da. Honek korronte bat duten erloju baten eta uniforme magnetiko batren arteko elkarrekintza ulertzeko eta kuantifikatzeko tresna garrantzitsu bat eskaintzen du. Korronte bat duen A azalera eta I korrontea dituen erloju baten magnetiko momentua honela definitzen da:

Ohartu azpimarra bektore moduan definitzen dela, horrek magnetiko momentua ere bektore bat bihurtzen du. Bi bektoreek norabide berea dute.

Magnetiko momentuaren norabidea erlojuaren planoarekiko perpendikularra da. Eskubiko eskuinaren erregela aplikatuz aurkitu daiteke—Eskubiko eskuineko hatzak korrontearen joera jarraituz kokatzen badira, ondoriozko magnetiko momentu bektorearen norabidea erakusten du. Irudian 1-ean adierazten da.

Erloju baten magnetiko momentua bakarrik korronte batekin eta barruko azalera batekin zehazten da. Erlojuaren itxura ez du inplikazio handirik.

Momentua eta Magnetiko Momentua

Ikusi irudia 2, korronte bat duen erloju bat uniforme magnetiko batean kokatuta dagoena.

Irudi honetan:

•  I korrontea adierazten du.

• B magnetiko bektorea adierazten du.

• u magnetiko momentua adierazten du.

• θ magnetiko momentu bektorearen eta magnetiko bektorearen arteko angelua adierazten du.

Erlojuaren alde kontrarioetan jarrizko indarrek egiten dute elkarrekin, beraz, erlojuaren gaineko indar osoa zeroa da. Hala ere, erlojuak magnetiko momentua jaso dezake. Momentu hau erlojuari egin duen neurria hurrengo moduan ematen da:

Ek. 2-tik ikus daiteke (t)momentua magnetiko momentuarekin zuzen loturik dagoela. Hori da magnetiko momentuak magnetua bezala jokatu duelako; kanpoan dagoen magnetikoaren araberako momentua jasota. Momentu honek beti erlojua estabilizatzea nahi du.

Estabilitate estabilizatua lortzen da erlojuaren planoarekiko magnetikoak perpendikularra denean (hau da, θ=0^o). Erlojua posizio horretatik txiki bat biratzen bada, momentua erlojua estabilizatzea nahi du. Momentua ere zero da  θ=180^o. Kasu horretan, erlojuak estabilitate estabilizatua dauka. Erlojua  θ=180^o-tik txiki bat biratzen bada, momentuak erlojua  θ=0^o-ra eramango du.

Zergatik Garrantzitsu Da Magnetiko Momentua?

Askotan, korronte bat duen erloju bat eta magnetiko batren arteko elkarrekintza mendekatzen da. Adibidez, elektriko motore baten momentua motorearen magnetikoaren eta korronte bat duen konduktoreen arteko elkarrekintzan oinarritzen da. Elkarrekintza honetan, energia potentziala konduktoreak biratzen ahala aldatzen da.

Gure sistemako energi potentziala magnetiko momentuaren eta kanpoan dagoen magnetikoaren arteko elkarrekintzetik sortzen da. Bektore hauen arteko angeluak sistema batean gorde den energia (U) zehazten du, hurrengo ekuazioan adierazten den bezala:

Hurrengoak dira gorde daitezkeen energia balioak zenbait egoera garrantzitsuentzat:

Kasu honetan, θ=0^o, sistema estabilizatua dago, eta gorde den energia minimoko baliora heltzen da, U=-uB.

Kasu honetan, θ=90^o, gorde den energia U=0-ra heldu da.

Kasu honetan, θ=180^o, gorde den energia maximoko baliora heltzen da, U=uB. Kasu honetan, sistema estabilizatua dago.

Atomiko Modelaren Bitartez Ondorengo Magnetiko Momentua Ulertzeko

Magnetiko materialen magnetikoak hogarrez ulertzeko, mekanika kuantikoari sartzea beharrezkoa da. Baina, atal hau artikulu honen barruan ez dago, oraindik ere magnetiko momentuaren kontzeptua eta atomiko modeloa erabiliz, materialen kanpoan dagoen magnetikoarekin nola elkarrekintza egingo duten ulertzeko baliozko informazio bat lor dezakegu.

Modelu honek elektron bat atomoaren nukleoko orbitatik pasatzen dela eta bere propioa xingoratzen dela adierazten du, irudian 3-ean adierazten da.

Elektrono, Atomo eta Objektuen Magnetiko Momentu Ondorengoa

Elektrono baten orbita mugimendua korronte bat duten erloju txiki baten antzekoa da. Horrek magnetiko momentu bat sortzen du (irudian (u1) bezala adierazita dago). Era berean, elektronoaren spinak ere magnetiko momentu bat sortzen du (u2). Elektrono baten magnetiko momentu ondorengoa bi magnetiko momentuen batura bektoriala da.

Atomo baten magnetiko momentu ondorengoa atomoaren elektrono guztien magnetiko momentuen batura bektoriala da. Atomoko protonak ere magnetiko dipolodunak dira, baina haien efektu osoa elektronoen efektuarekin alderatzean askoz txikiagoa da.

Objektu baten magnetiko momentu ondorengoa objektuaren atomo guztien magnetiko momentuen batura bektoriala da.

Magnetizazio Bektorea

Material baten propietate magnetikoak osagai partikulen magnetiko momentuei esker zehazten dira. Artikulu honetan aurreko kapituloan ikusi dugunez, magnetiko momentu hauek magnetu txikiak direla pentsa daitezke. Materiala kanpoan dagoen magnetikoan kokatzen denean, materialaren barneko atomiko magnetiko momentuak kanpoan dagoen magnetikoarekin elkarrekintza egingo dute eta momentu bat jasoko dute. Momentu hau magnetiko momentuak norabide berean kokatzeko tendentzia du.

Substanzia baten egoera magnetikoak bi faktoretan datza: substanzian dagoen atomiko magnetiko momentuen kopuruan eta haien kokapen graduan. Mikrokorronte erloju txikiek sortutako magnetiko momentuak ausazko norabidean kokatuta badira, zerrenda batean kendu egingo dira, magnetiko osoen zerrenda txiki bat emanez. Substanzia baten egoera magnetikoari buruz hitz egiteko, magnetizazio bektoreari sartzen zaigu. Definitzen da substanzia bakoitzeko unitate bolumeneko magnetiko momentu totala:

non V materialaren bolumena adierazten duen.

Materiala kanpoan dagoen magnetikoan kokatzen denean, magnetiko momentuak norabide berean kokatzen hasten dira, magnetizazio bektorearen magnitudea handituz. Magnetizazio bektorearen ezaugarriak materiala paramagnetikoa, ferromagnetikoa edo diamagnetikoa izatearen arabera aldatzen dira.

Paramagnetiko eta ferromagnetiko materialak atomoak dituzte magnetiko momentu permanenteekin. Aldiz, diamagnetiko materialen atomoek ez dute magnetiko momentu permanentea.

Magnetiko Totala Bilatzeko: Permeabilitatea eta Suszeptibilitatea

Material bat magnetiko batean kokatzen badugu, materialaren barruko magnetiko totalak bi iturri desberdin ditu:

• Kanpoan aplikatutako magnetiko (B0).

• Materialaren magnetizazioa kanpoan dagoen magnetikoaren erantzuna (Bm).

Materialaren barruko magnetiko totala bi osagai hauen batura da:

B0 korronte bat duen konduktore batek sortzen du; Bm magnetiko materialak sortzen du. Bm magnetizazio bektorearekin proportzionala dela frogatzen da:

non μ0 espazio librearen permeabilitatea deitzen den konstante bat. Beraz, honela dugu:

Magnetizazio bektorea kanpoan dagoen magnetikoarekin honela loturik dago:

non χ greziar letra suszeptibilitate magnetikoaren faktore proportzionala den. χ-ren balioa materialaren arabera aldatzen da.

Azken bi ekuazioak batuz, honela dugu:

Ekuazioaren Garrantzia eta Permeabilitate Errelativea

Ekuazio honek interpretazio intuitiboa du: materialaren barruko magnetiko totala kanpoan aplikatutako magnetikoaren 1+x faktorearekin biderkatuta dago. Faktore hau, permeabilitate errelativea bezala ezagutzen da, materialen magnetikoarekin nola elkarrekintza egin dezaken karakterizatzeko parametro garrantzitsu bat da. Permeabilitate errelativea gehienetan ur bezala adierazten da.

Desberdintasun Materialen Suszeptibilitate Magnetiko

Irudia 4-ean, hiru material mota desberdinen portaera magnetikoaren artean uniforme magnetiko batean kokatuta dagoen adierazten da. Materialaren barruko area kolore urdinez adierazita dago.

Desberdintasun Materialen Suszeptibilitate Magnetiko

Irudia 4(a)-n, materialaren barruko magnetiko lerroak kanpoan dagoenak baino zuriune handiagoan dagoen ikus daiteke. Honek magnetiko diamagnetiko baten barruko magnetiko totala kanpoan aplikatutako magnetikoaren baino txikiagoa dela adierazten du. Diamagnetiko materialentzat, suszeptibilitate magnetikoa (X) balio negatibo txiki bat da. Adibidez, 300 K-n, kobren suszeptibilitate magnetikoa –9.8 × 10⁻⁶. Hortaz, materialak magnetiko bat bere barruan alde egin dezake.

Irudia 4(b)-k paramagnetiko material baten erantzuna adierazten du. Hemen, materialaren barruko magnetiko lerroak kanpoan dagoenak baino zuriune txikiagoan dagoen ikus daiteke. Honek materialaren barruko magnetiko totala kanpoan dagoen magnetikoaren baino handiagoa dela adierazten du. Paramagnetiko materialentzat, X balio positibo txiki bat da. Adibidez, 300 K-n, litioaren suszeptibilitate magnetikoa 2.1 × 10⁻⁵.

Azkenik, irudia 4(c)-n, ferromagnetiko materialak magnetiko lerroak materialaren barruan igaro dizkie. Materiala magnetizatzen da, magnetiko barruan oso handitu. Ferromagnetiko materialentzat, X 1,000etik 100,000 bitarteko balio positibo bat du. Suszeptibilitate magnetiko handiagatik, material hauek kanpoan dagoen magnetikoaren baino handiagoa sortzen dute.

Garrantzitsua da ferromagnetiko materialentzat, X konstantea ez dela. Beraz, magnetizazioa (M) ez da kanpoan aplikatutako magnetikoaren (B0) funtzio lineala.

Amaiera

Magnetiko materialak transformatorei, motorrei eta datu gordeketarako gailuetara sakonki harremanetan daude. Substanzia baten egoera magnetikoak materialaren barruko atomiko magnetiko momentuen kopuruaren eta kanpoan dagoen magnetikoaren prezioan nola kokatzen diren araberakoa da. Laburbilduz, magnetiko materialak hiru motatan sailkatu daitezke: paramagnetiko, diamagnetiko eta ferromagnetiko. Kapitulu hauetan, kategoriak gehiago aztertuko ditugu.