Magnētiskās materiālu pamatjēdzieni

Magnetiskā dipolmoments

Izvietojot dažādus materiālus vienā un tajā pašā ārējā magnetiskā laukā, tie var rādīt ļoti atšķirīgu reakciju. Lai izprastu mūsu zemāk esošos iemeslus, mums jāsaprot, kā magnetiskie dipoli kontrolē magnetisko uzvedību. Šī sapratne sākas ar magnetiskā dipolmomena pētīšanu.

Magnetiskais dipolmoments, ko bieži sauc par magnetisku momentu, ir pamatjēdziens elektromagnētikā. Tas piedāvā spēcīgu rīku, lai saprastu un kvantificētu strāvas šķērsleju interakciju ar vienmērīgu magnetisko lauku. Strāvas šķērslejas, kuras laukums ir A un kura nes strāvu I, magnetiskais moments definēts šādi:

Jāņem vērā, ka laukums definēts kā vektors, kas padara arī magnetisko momentu vektoriem. Abi vektori ir vienādā virzienā.

Magnetiskā momento virziens ir perpendikulārs šķērslejas plaknei. To var atrast, piemērojot labās rokas likumu — ja jūs pagriezat savas labās rokas pirkstus strāvas plūsmas virzienā, jūsu gredzens rāda magnetiskā momento vektora virzienam. Tas attēlots 1. figūrā.

Šķērslejas magnetiskais moments atkarīgs tikai no caur to plūstošo strāvu un to ietverēto laukumu. Tā nav ietekmēta šķērslejas formas dēļ.

Moments un magnetiskais moments

Apskatiet 2. figūru, kurā attēlota strāvas šķērsleja, kas novietota vienmērīgā magnetiskā laukā.

Attēlā redzam:

•  I apzīmē strāvu.

• B apzīmē magnetisko lauka vektoru.

• u apzīmē magnetisko momentu.

• θ apzīmē leņķi starp magnetiskā momento vektoru un magnetiskā lauka vektoru.

Kopējā spēka, kas darbojas uz šķērslejas pretējiem malām, kompensējas, tāpēc kopējā spēka, kas darbojas uz šķērsleju, ir nulle. Tomēr šķērsleja ir pakļauta magnetiskam momentam. Šī momenta lielums, kas tiek piemērots šķērslejai, ir šāds:

No 2. vienādojuma skaidri redzams, ka moments (t) tieši saistīts ar magnetisko momentu. Tāpēc, ka magnetiskais moments darbojas kā magnēts, kad tas tiek novietots ārējā magnetiskā laukā, tas pieredz momentu. Šis moments vienmēr tendē uz šķērslejas rotāciju stabila līdzsvara pozīcijā.

Stabils līdzsvars sasniedzams, kad magnetiskais lauks ir perpendikulārs šķērslejas plaknei (tas ir, θ=0^o). Ja šķērsleja tiek mazliet pagriezta no šīs pozīcijas, moments darbosies, lai atgrieztu šķērsleju atpakaļ līdzsvarā. Moments ir arī nulle, kad θ=180^o. Tomēr šajā gadījumā šķērsleja atrodas nestabilā līdzsvarā. Mazi pagrieziena mainījumi no θ=180^o izraisīs momentu, kas pārvietos šķērsleju tālāk no šī punkta un uz θ=0^o.

Kāpēc magnetiskais moments ir svarīgs?

Daudzas ierīces atkarīgas no interakcijas starp strāvas šķērsleju un magnetisko lauku. Piemēram, elektriskā dzinēja veidotais moments balstīts uz interakciju starp dzinēja magnetisko lauku un strāvas nesējām vadītājā. Šajā interakcijā potenciālā enerģija mainās, kad vadītāji rotē.

Ir interakcija starp magnetisko momentu un ārējo magnetisko lauku, kas radīs potenciālo enerģiju mūsu magnetiskajā sistēmā. Divu šo vektoru starpā esošais leņķis nosaka energijas (U) daudzumu, kas saglabāts sistēmā, kā parādīts šādā vienādojumā:

Šeit ir saglabātās enerģijas vērtības dažām svarīgām konfigurācijām:

Kad θ=0^o, sistēma atrodas stabilā līdzsvara stāvoklī, un saglabātā enerģija sasniedz savu minimālo vērtību, U=-uB.

Kad θ=90^o, saglabātā enerģija ir pieaugusi līdz U=0.

Kad θ=180^o, saglabātā enerģija sasniedz savu maksimālo vērtību, U=uB. Šis specifisks stāvoklis attēlo nestabila līdzsvara pozīciju.

Saglabātā enerģija un atomārā modelis

Lai pilnībā saprastu, kā magnetiskie materiāli veido magnetisku lauku, ir būtiski ieiet gan kvantu mehānikā. Tomēr, jo šis temats pārsniedz šī raksta apjomu, mēs vēl aizvien varam izmantot magnetiskā momento un klasiskā atomārā modeļa konceptu, lai iegūtu vērtīgu informāciju par to, kā materiāli interakcē ar ārējo magnetisko lauku.

Šis modelis attēlo elektronu gan kā orbītālu ap atomāro kodolu, gan kā savas ass apvesētāju, kā to skaidri parāda 3. figūrā.

Elektronu, atomu un objektu kopējais magnetiskais moments

Elektrona orbītālais kustības var tikt salīdzināts ar mazu strāvas šķērsleju. Tā rezultātā tas veido magnetisku momentu (apzīmēts kā u1 augšējā figūrā). Līdzīgi, elektrona spinduls arī veido magnetisku momentu (u2). Elektrona kopējais magnetiskais moments ir šo divu magnetiskā momento vektoru summa.

Atoma kopējais magnetiskais moments ir visu tā elektronu magnetiskā momento vektoru summa. Nē, protoni atomā arī ir ar magnetisku dipolu, bet to kopējais efekts bieži vien ir mazāks salīdzinājumā ar elektronu.

Objekta kopējais magnetiskais moments noteikts, ņemot vērā visu to atomu magnetiskā momento vektoru summu, kas to veido.

Magnetizācijas vektors

Materiāla magnetiskās īpašības noteiktas tā sastāvdaļu partikulu magnetiskajiem momentiem. Kā minēts šajā rakstā, šie magnetiskie momenti var tikt uztverti kā mazi magnēti. Kad materiāls tiek novietots ārējā magnetiskā laukā, tā atomārie magnetiskie momenti interakcijā ar piemērotā lauka pieredz momentu. Šis moments tendē uz to magnetisko momentu orientāciju vienā virzienā.

Substancēs magnetiskais stāvoklis atkarīgs no diviem faktoriem: no atomārā magnetiskā momento skaits materiālā un to orientācijas pakāpe. Ja mikroskopiskās strāvas šķērslejas veidotie magnetiskie momenti ir nejauši orientēti, tie tendēs kompensēt sevi, rezultējot negludu kopējo magnetisko lauku. Lai aprakstītu substancēs magnetiskā stāvokli, mēs ieviešam magnetizācijas vektoru. Tas definēts kā kopējais magnetiskais moments vienības tilpumā:

kur V apzīmē materiāla tilpumu.

Kad materiāls tiek izpostīts ārējam magnetiskam laukam, tā magnetiskie momenti tendē orientēties, radot magnetizācijas vektora lieluma pieaugumu. Magnetizācijas vektora īpašības arī ietekmētas materiāla klasifikāciju kā paramagnets, ferromagnets vai diamagnets.

Paramagneti un ferromagneti sastāv no atomiem ar pastāvīgiem magnetiskajiem momentiem. Savukārt diamagnetu atomārie magnetiskie momenti nav pastāvīgi.

Kopējā magnetiskā lauka meklēšana: caurmērība un susceptivitāte

Pārdomāsim, ka materiāls tiek novietots magnetiskā laukā. Materiālā esošais kopējais magnetiskais lauks ir divu atsevišķu avotu rezultāts:

• Ārēji piemērotais magnetiskais lauks (B0).

• Materiāla magnetizācija atbilde uz ārējo lauku (Bm).

Materiālā esošais kopējais magnetiskais lauks ir šo divu komponentu summa:

B0 tiek veidots ar strāvas nesēju palīdzību; Bm tiek veidots ar magnetisko materiālu. Var pierādīt, ka Bm ir proporcionāls magnetizācijas vektoram:

kur μ0 ir konstante, ko sauc par brīvā telpa caurmērība. Tāpēc mums ir:

Magnetizācijas vektors ir arī saistīts ar ārējo lauku šādā vienādojumā:

kur grieķu burts χ ir proporcionalitātes faktors, ko sauc par magnetisku susceptivitāti. χ vērtība atkarīga no materiāla tipa.

Apvienojot pēdējos divus vienādojumus, mums ir:

Vienādojuma nozīme un relatīvā caurmērība

Šis vienādojums ir intuitīvi saprotams: tas norāda, ka materiālā esošais kopējais magnetiskais lauks ir ekvivalentāms ar ārēji piemērotu magnetisko lauku, kas reizināts ar faktoru 1+x. Šis faktors, ko sauc par relatīvo caurmērību, ir būtisks parametrs, lai raksturotu, kā materiāls reaģē uz magnetisko lauku. Relatīvā caurmērība parasti apzīmēta ar ur.

Dažādu materiālu magnetiskā susceptivitāte

4. figūra attēlo trīs atsevišķu materiālu magnetisko uzvedību, kad tie tiek novietoti vienmērīgā magnetiskā laukā. Materiāla iekšējā zona ir attēlota ar dzeltenu taisnstūri.

Dažādu materiālu magnetiskā susceptivitāte

4. a) figūrā magnetiskie laukalīnijas materiālā iekšpusē ir plašāk izkārtotas, nekā ārpusē. Tas norāda, ka diamagnētiskā materiālā esošais kopējais magnetiskais lauks ir nedaudz vājāks par ārēji piemērotu lauku. Diamagnētiskiem materiāliem magnetiskā susceptivitāte (X) ir maza negatīva vērtība. Piemēram, 300 K temperatūrā metāla magnetiskā susceptivitāte ir –9.8 × 10⁻⁶. Tāpēc materiāls daļēji atspējo magnetisko lauku no tā iekšpuses.

4. b) figūrā demonstrēta paramagnētiska materiāla reakcija. Šeit magnetiskie laukalīnijas materiālā iekšpusē ir blakus izkārtotas salīdzinājumā ar ārējo lauku. Tas nozīmē, ka materiālā esošais kopējais magnetiskais lauks ir nedaudz stiprāks par ārējo lauku. Paramagnētiskiem materiāliem X ir maza pozitīva vērtība. Piemēram, 300 K temperatūrā litija magnetiskā susceptivitāte ir 2.1 × 10⁻⁵.

Visbeidzot, 4. c) figūrā ferromagnētiskais materiāls deformē magnetiskās laukalīnijas, dzenādās tās cauri materiālam. Materiāls notiek magnetizācija, būtiski palielinot magnetisko lauku iekšpusē. Ferromagnētiskiem materiāliem X ir pozitīva vērtība, kas atrodas starp 1,000 un 100,000. Tāpēc tiem ir ļoti augsta magnetiskā susceptivitāte, un tie veido magnetisko lauku, kas daudz stiprāks par ārēji piemērotu.

Jāņem vērā, ka ferromagnētiskiem materiāliem X nav nemainīga vērtība. Tāpēc magnetizācija (M) nav lineāra funkcija ārēji piemērotā magnetiskā lauka (B0).

Kopsavilkums

Magnetiskie materiāli ir būtiski daudzās lietotnes, ieskaitot transformatorus, dzinējus un datu glabāšanas ierīces. Substancēs magnetiskais stāvoklis atkarīgs no atomāro magnetiskā momento skaits materiālā un to orientācijas pakāpe ārējā magnetiskā laukā. Kā īsumā minēts, mēs varam klasificēt magnetiskos materiālus trīs tipos, balstoties uz šiem kritērijiem: paramagnētiski, diamagnētiski un ferromagnētiski. Mēs turpināsim šos kategorijas detalizētāk pētīt nākamajā rakstā.