מגנטים חומרים מושגים עיקריים

הרגע המגנטי

כאשר נחשפים לשדה מגנטי חיצוני זהה, חומרים שונים יכולים להראות תגובות שונות מאוד. כדי לחקור את הסיבות הבסיסיות, עלינו קודם כל להבין איך רגעי מגנטים מפקחים על התנהגות מגנטית. ההבנה הזו מתחילה עם בדיקת הרגע המגנטי.

הרגע המגנטי, שנכון יותר לקרוא לו הרגע המגנטי לצמצום, הוא מושג בסיסי באלקטרומגנטיות. הוא מספק כלי חזק להבנת מדידת האינטראקציה בין לולאה נושאת זרם לשדה מגנטי אחיד. המoment המגנטי של לולאה הנושאת זרם I ובעלת שטח A מוגדר כך:

שימו לב שהשטח מוגדר כוקטור, מה שהופך את המומנט המגנטי גם כן לוקטור. שני הווקטורים יש להם אותו כיוון.

כיוון המומנט המגנטי מאונך למישור הלולאה. ניתן למצוא אותו על ידי שימוש כלל הימין—אם תכרכו את אצבעות ימיןיכם בכיוון זרימת הזרם, האגודל יראה את כיוון וקטור המומנט המגנטי. זה מתואר בתמונה 1.

המומנט המגנטי של לולאה נקבע אך ורק על ידי הזרם הזורם דרכה והשטח שהיא סוגרת. הוא נשאר בלתי מושפע מהצורה של הלולאה.

מומנט המגנט ומומנט המגנט

ראו בתמונה 2, המדגימה לולאה נושאת זרם הממוקמת בשדה מגנטי אחיד.

בתמונה המוצגת:

•  I מייצג את הזרם.

• B מייצג את וקטור השדה המגנטי.

• u מייצג את המומנט המגנטי.

• θ מייצג את הזווית בין וקטור המומנט המגנטי לבין וקטור השדה המגנטי.

מאחר שהכוחות הפועלים על צידי הלולאה הנגדיים מבטלים אחד את השני, סכום הכוחות הכולל על הלולאה הוא אפס. עם זאת, הלולאה מושפעת מ môrnet מגנטי. הגודל של môrnet המגנט הזה על הלולאה נתון כך:

משוואה 2, ניתן לראות בבירור שהmôrnet (t) קשור ישירות למומנט המגנטי. זה כי המומנט המגנטי מתנהג כמו מגנט; כשהוא נמצא בשדה מגנטי חיצוני, הוא חווה môrnet. môrnet תמיד יש נטייה לסובב את הלולאה לעבר מצב שיווי משקל יציב.

שיווי המשקל היציב מתקבל כאשר השדה המגנטי מאונך למישור הלולאה (כלומר,θ=0^o  ). אם הלולאה מסובבת מעט ממקום זה, môrnet יפעל כדי להחזיר את הלולאה למצב שיווי המשקל. môrnet הוא גם אפס כאשר θ=180^o . אבל במקרה זה, הלולאה היא במצב שיווי משקל לא יציב. סיבוב קטן מ- θ=180^o יגרום למôrnet לדחוף את הלולאה רחוק ממוקד זה לעבר θ=0^o  .

מדוע המומנט המגנטי חשוב?

מספר רב של מכשירים תלויים באינטראקציה בין לולאה נושאת זרם לשדה מגנטי. למשל, môrnet שנוצר על ידי מנוע חשמלי מבוסס על האינטראקציה בין שדה המגנט של המנוע והנושאים הולכים זרם. במהלך האינטראקציה הזו, האנרגיה הפוטנציאלית משתנה בנפוך לסיבוב הנושאים.

זה האינטראקציה בין המומנט המגנטי לשדה המגנטי החיצוני שנותן את האנרגיה הפוטנציאלית במערכת המגנטית שלנו. הזווית בין שני הווקטורים קובעת את כמות האנרגיה (U) המאוחסנת במערכת, כפי שמוצג במשוואה הבאה:

הנה ערכים מאוחסנים של אנרגיה עבור מספר תצורות קריטיות:

כאשר θ=0^o , המערכת היא במצב שיווי משקל יציב, והאנרגיה המאוחסנת מגיעה למינימום שלה, עם U=-uB.

כאשר θ=90^o , האנרגיה המאוחסנת עלה ל-U=0 .

כאשר θ=180^o, האנרגיה המאוחסנת מגיעה למקסימום שלה, U=uB . מצב זה מייצג מצב שיווי משקל לא יציב.

הבנה של המומנט המגנטי הנקי דרך המודל האטומי

כדי להבין בצורה מקיפה איך חומרים מגנטים יוצרים שדה מגנטי, יש לחקור את המכניקה הקוונטית. עם זאת, מכיוון שהנושא זה נעוץ מעבר לתחום של מאמר זה, עדיין ניתן להשתמש במושג המומנט המגנטי ובמודל האטומי הקלאסי כדי לקבל הבנה חשובה איך חומרים מתקנים עם שדה מגנטי חיצוני.

המודל הזה מציג אלקטרון כמתקיף סביב גרעין האטום ומסובב סביב צירו שלו, כפי שמוצג בבירור בתמונה 3.

המומנט המגנטי הנקי של אלקטרונים, אטומים ועצמים

התנועה המסלולית של אלקטרון יכולה להיות דומה ללולאה קטנה נושאת זרם. כתוצאה מכך, הוא יוצר מומנט מגנטי (מסומן כ (u1 ) בתמונה למעלה). באופן דומה, הסיבוב של האלקטרון גם יוצר מומנט מגנטי (u2). המומנט המגנטי הנקי של אלקטרון הוא הסכום הווקטורי של שני המומנטים המגנטיים הללו.

עבור אטום, המומנט המגנטי הנקי שלו הוא הסכום הווקטורי של המומנטים המגנטיים של כל האלקטרונים שלו. למרות שהפרוטונים באטום גם יש להם דיפול מגנטי, השפעתם הכוללת בדרך כלל זניחה בהשוואה לאלקטרונים.

המומנט המגנטי הנקי של עצם נקבע על ידי לקחת את הסכום הווקטורי של המומנטים המגנטיים של כל האטומים בו.

וקטור המגנטיזציה

המאפיינים המגנטיים של חומר נקבעים על ידי המומנטים המגנטיים של חלקיו המרכיבים. כמו שנדון במאמר זה, המומנטים המגנטיים יכולים להתבונן כמגנטים קטנים. כאשר חומר מונח בשדה מגנטי חיצוני, המומנטים המגנטיים האטומיים בתוך החומר מתקנים עם השדה המPLIED ומגישים môrnet. môrnet יש נטייה לסדר את המומנטים המגנטיים באותו כיוון.

המצב המגנטי של חומר תלוי בשני גורמים: במספר המומנטים המגנטיים האטומיים שנמצאים בחומר ובמידת הסדר שלהם. אם המומנטים המגנטיים שנוצרים על ידי לולאות זרם מיקרוסקופיות מכוונים באופן אקראי, הם יוטלו אחד את השני, מה שנותן שדה מגנטי נקי זניח. כדי לתאר את המצב המגנטי של החומר, מציגים וקטור המגנטיזציה. הוא מוגדר כמומנט המגנטי הכולל לנפח יחידה של החומר:

כאשר V מייצג את הנפח של החומר.

כאשר החומר מונח בשדה מגנטי חיצוני, המומנטים המגנטיים שלו נוטים לסדר, מה שגורם לעלייה בגודל וקטור המגנטיזציה. מאפייני וקטור המגנטיזציה גם משפיעים על הסיווג של החומר כפרומגנטי, פרומגנטי או דיימגנטי.

חומרים פרומגנטיים ופרומגנטיים מורכבים מאטומים עם מומנטים מגנטיים קבועים. לעומת זאת, המומנטים המגנטיים האטומיים בחומרים דיימגנטיים אינם קבועים.

מציאת השדה המגנטי הכולל: חדירות ומגנטיזביליות

נניח שאנחנו ממקמים חומר בשדה מגנטי. השדה המגנטי הכולל בתוך החומר מגיע משני מקורות שונים:

• השדה המגנטי החיצוני הנPLIED (B0).

• המגנטיזציה של החומר בתגובה לשדה החיצוני (Bm).

השדה המגנטי הכולל בתוך החומר הוא סכום שני המרכיבים הללו:

B0 נוצר על ידי מוליך נושא זרם; Bm נוצר על ידי החומר המגנטי. ניתן להראות כי Bm פרופורציונלי לוקטור המגנטיזציה:

כאשר μ0 הוא קבוע שנקרא חדירות החלל החופשי. לכן, יש לנו:

וקטור המגנטיזציה גם קשור לשדה החיצוני על ידי המשוואה הבאה:

כאשר האות היוונית χ היא פקטור פרופורציה שנקרא מגנטיזביליות. ערך של χ תלוי בסוג החומר.

שילוב שתי המשוואות האחרונות, יש לנו:

משמעות המשוואה והחדירות היחסית

משוואה זו יש לה פירוש אינטואיטיבי: היא מצביעה על כך שהשדה המגנטי הכולל בתוך החומר שווה לשדה המגנטי החיצוני שנPLIED כפול הגורם 1+x . הגורם הזה, המכונה החדירות היחסית, משמש כפרמטר חשוב לתיאור איך חומר מגיב לשדה מגנטי. החדירות היחסית היא בדרך כלל מסומנת כur.

המגנטיזביליות של חומרים שונים

תמונה 4 מציגה את התנהגות המגנטית של שלושה סוגי חומרים שונים כאשר הם מונחים בשדה מגנטי אחיד. השטח הפנימי של החומר מיוצג על ידי מלבן צהוב.

המגנטיזביליות של חומרים שונים

בתמונה 4(a), קווי השדה המגנטי בתוך החומר מרווחים יותר מאשר מחוץ לו. זה מצביע על כך שהשדה המגנטי הכולל בתוך חומר דיימגנטי הוא קצת חלש יותר מהשדה החיצוני שנPLIED. לחומרים דיימגנטיים, המגנטיזביליות (X) היא ערך שלילי קטן. למשל, בטמפרטורה של 300 K, המגנטיזביליות של נחושת היא –9.8 × 10⁻⁶. כתוצאה מכך, החומר מריחף חלק מהשדה המגנטי מתוך הפנים שלו.

בתמונה 4(b) מוצגת התגובה של חומר פרומגנטי. כאן, קווי השדה המגנטי בתוך החומר קרובים יותר מאשר אלה של השדה החיצוני. זה מצביע על כך שהשדה המגנטי הכולל בתוך החומר הוא קצת חזק יותר מהשדה החיצוני. לחומרים פרומגנטיים, X הוא ערך חיובי קטן. למשל, בטמפרטורה של 300 K, המגנטיזביליות של ליתיום היא 2.1 × 10⁻⁵.

לבסוף, בתמונה 4(c), החומר הפרומגנטי מעוות את קווי השדה המגנטי, מה שגורם להם לעבור דרך החומר. החומר נהיה מגנטי, מה שמחזק משמעותית את השדה המגנטי בתוך החומר. לחומרים פרומגנטיים, X יש ערך חיובי שנע בין 1,000 ל-100,000. בשל המגנטיזביליות הגבוהה שלהם, החומרים הללו יוצרים שדה מגנטי הרבה יותר חזק מהשדה החיצוני שנPLIED.

חשוב לציין שלחומרים פרומגנטיים, X אינו קבוע. לפיכך, המגנטיזציה (M) אינה פונקציה ליניארית של השדה המגנטי החיצוני הנPLIED (B0).

סיכום

חומרים מגנטיים הם קריטיים במגוון רחב של יישומים, כולל טרנספורמרים, מנועים ומכשירי אחסון נתונים. המצב המגנטי של חומר תלוי במספר המומנטים המגנטיים האטומיים בחומר וכמה טוב הם מסודרים בפני שדה מגנטי חיצוני. כפי שנדון בהרצאה קצרה, ניתן למיין חומרים מגנטיים לשלושה סוגים על בסיס קריטריונים אלו: פרומגנטי, דיימגנטי ופרומגנטי. נרחיב על הקטגוריות האלו בערך עתידי.