Клучни концепти на магнетните материјали
Магнетни диполен момент
Кога се изложени на истиот екстерен магнетно поле, различните материјали можат да покажат многу различни одговори. За да се истражат основните причини, прво треба да го разбереме како магнетните диполи управляваат магнетното однесување. Оваа разбирањето започнува со истражување на магнетниот диполен момент.
Магнетниот диполен момент, често наречен само магнетен момент за поедноставност, служи како фундаментален концепт во електромагнетизмот. Тој нуди моќна алатка за разбирање и квантифицирање на интеракцијата помеѓу петља која носи ток и униформно магнетно поле. Магнетниот момент на петља која има површина A и носи ток I, се дефинира како следи:
Забележете дека површината е дефинирана како вектор, што прави магнетниот момент и сам векторска величина. Двете вектори имаат иста насока.
Насоката на магнетниот момент е нормална на рамнината на петљата. Ја може да ја најдете применувајќи правило на десна рака—Ако загнетите прстите на вашата десна рака во насоката на протокот, вашето палче покажува насоката на векторот на магнетниот момент. Ова е илустрирано на Слика 1.
Магнетниот момент на петљата е единствено одреден од токот кој минува низ неа и површината која го опфаќа. Не се влијае од обликот на петљата.
Торка и магнетниот момент
Погледнете ја Слика 2, која прикажува петља која носи ток поставена во униформно магнетно поле.
На прикажаната слика:
I претставува токот.
B означува векторот на магнетното поле.
u претставува магнетниот момент.
θ означува аголот помеѓу векторот на магнетниот момент и векторот на магнетното поле.
Бидејќи силите кои делуваат на спротивните страни на петљата се компензираат една друга, збирната сила која делува на петљата се сумира до нула. Ипак, петљата е подложена на магнетна торка. Величината на оваа торка која се утврдува на петљата е дадена како следи:
Од Еквацијата 2, можеме да го забележиме дека торката (t) е директно корелирана со магнетниот момент. Ова е затоа што магнетниот момент функционира како магнет, кога е поставен во екстерно магнетно поле, тој искушува торка. Оваа торка секогаш има тенденција да ротира петљата кон стабилна равновесна позиција.
Стабилната равновесна позиција се постигнува кога магнетното поле е нормално на рамнината на петљата (т.е., θ=0^o). Ако петљата е леге повлечена од оваа позиција, торката ќе делува за да ја врати петљата назад во равновесна состојба. Торката е исто така нула кога θ=180^o. Меѓутоа, во овој случај, петљата е во нестабилна равновесна состојба. Мала ротација од θ=180^o ќе предизвика торката да ја доведе петљата подалеку од оваа точка и кон θ=0^o.
Зошто е важен магнетниот момент?
Множество уреди зависат од интеракцијата помеѓу петља која носи ток и магнетно поле. На пример, торката генерирана од електричниот мотор е базирана на интеракцијата помеѓу магнетното поле на моторот и проводниците кои носат ток. Во текот на оваа интеракција, потенцијалната енергија варира како што проводниците ротираат.
Ето и интеракцијата помеѓу магнетниот момент и екстерното магнетно поле што дава потенцијална енергија во нашата магнетна система. Аголот помеѓу овие два вектора одреќа количеството енергија (U) складирано во системот, како што е прикажано во следната еквација:
Следнава приказува вредности на складираната енергија за неколку важни конфигурации:
Кога θ=0^o, системот е во стабилна равновесна состојба, и складираната енергија достигнува својот минимум, со U=-uB.
Кога θ=90^o, складираната енергија се зголемува до U=0.
Кога θ=180^o, складираната енергија достигнува својата максимална вредност, U=uB. Оваа специфична состојба претставува нестабилна равновесна позиција.
Разбирање на нетниот магнетен момент преку атомски модел
За да се комплетно разбере како магнетните материјали генерираат магнетно поле, потребно е да се истражи квантната механика. Меѓутоа, бидејќи тоа тема е надвор од опсегот на овој чланок, все уште можеме да користиме концептот на магнетниот момент и класичкиот атомски модел за да добиеме ценни инсайти за тоа како материјалите интерагираат со екстерно магнетно поле.
Овој модел го прикажува електронот како што и орбитира околу атомскиот јадро и се враќа околу својата собствена оска, како што е живописно прикажано на Слика 3.
Нејзиниот магнетен момент на електроните, атомите и предметите
Орбиталното движење на електронот може да се спореди со мала петља која носи ток. Како резултат, тој генерира магнетен момент (обележан како (u1) на горната слика). Слично, враќањето на електронот исто така дава магнетен момент (u2). Нетниот магнетен момент на електронот е векторска сума на овие два магнетни момента.
За атом, неговиот нетен магнетен момент е векторска сума на магнетните моменти на сите негови електрони. Иако протоните во атомот исто така имаат магнетен дипол, нивниот целосен ефект типички е занемарлив кога се споредува со онаа на електроните.
Нетниот магнетен момент на предметот е одреден со вземање на векторската сума на магнетните моменти на сите атоми во него.
Векторот на намагнетување
Магнетните својства на материјалот се одредени од магнетните моменти на неговите составни частици. Како што е претходно објаснето во овој чланок, овие магнетни моменти можат да се сметаат за мали магнети. Кога материјалот е поставен во екстерно магнетно поле, атомските магнетни моменти во материјалот интерагираат со применетото поле и искушуваат торка. Оваа торка има тенденција да поравнат магнетните моменти во иста насока.
Магнетната состојба на супстанта зависи од две фактори: бројот на атомски магнетни моменти присутни во материјалот и степенот на нивното поравнување. Ако магнетните моменти генерирани од микроскопски петли се насумично ориентирани, тие ќе се тенденција да се отмениат едни други, што ќе резултира во занемарливо нетно магнетно поле. За да го опишеме магнетната состојба на супстанта, воведуваме векторот на намагнетување. Тој е дефиниран како тоталниот магнетен момент по единица волумен на супстанта:
каде V претставува волуменот на материјалот.
Кога материјалот е изложен на екстерно магнетно поле, неговите магнетни моменти тенденција да се поравнат, што води до зголемување на величината на векторот на намагнетување. Карактеристиките на векторот на намагнетување исто така се влијаат од класификацијата на материјалот како параметагнетен, феромагнетен или диамагнетен.
Параметагнетните и феромагнетните материјали се состојат од атоми со постојани магнетни моменти. Во спротивност, атомските магнетни моменти во диамагнетните материјали не се постојани.
Пронаоѓање на тоталното магнетно поле: Пропусливост и восприимчивост
Представете дека поставуваме материјал во магнетно поле. Тоталното магнетно поле во материјалот има две различни извори:
Екстерно применето магнетно поле (B0).
Намагнетувањето на материјалот во одговор на екстерното поле (Bm).
Тоталното магнетно поле во материјалот е збир на овие две компоненти:
B0 е произведено од проводник кој носи ток; Bm е произведено од магнетниот материјал. Може да се покаже дека Bm е пропорционално на векторот на намагнетување:
каде μ0 е константа наречена пропусливост на слободното пространство. Затоа, имаме:
Векторот на намагнетување исто така е поврзан со екстерното поле со следната еквација:
каде грчкиот знак χ е пропорционален фактор наречен магнетна восприимчивост. Вредноста на χ зависи од видот на материјалот.
Обединувајќи последните две еквации, имаме:
Значењето на еквацијата и релативна пропусливост
Оваа еквација има интуитивна интерпретација: таа покажува дека тоталното магнетно поле во материјалот е еквивалентно на екстерно применето магнетно поле помножено со факторот 1+χ. Овој фактор, наречен релативна пропусливост, служи како важен параметар за карактеризирање како материјалот реагира на магнетно поле. Релативната пропусливост е обично означена со ur.
Магнетна восприимчивост на различни материјали
Слика 4 прикажува магнетното однесување на три различни видови материјали кога се поставени во униформно магнетно поле. Внатрешната област на материјалот е претставена со жолта правоаголна форма.
Магнетна восприимчивост на различни материјали
На Слика 4(a), магнетните линии на поле во материјалот се повеќе расфрлени од оние надвор. Ова покажува дека тоталното магнетно поле во диамагнетен материјал е лесно слабее од екстерно применетото поле. За диамагнетни материјали, магнетната восприимчивост (X) е мал негативен број. На пример, при 300 K, медта има магнетна восприимчивост од –9.8 × 10⁻⁶. Затоа, материјалот делично го одбија магнетното поле од својата внатрешност.
Слика 4(b) демонстрира одговорот на параметагнетен материјал. Овде, магнетните линии на поле во материјалот се повеќе нагласени од оние на екстерното поле. Ова значи дека тоталното магнетно поле во материјалот е лесно посилно од екстерното поле. За параметагнетни материјали, X е мал позитивен број. На пример, при 300 K, магнетната восприимчивост на литиум е 2.1 × 10⁻⁵.
Након тоа, на Слика 4(c), феромагнетниот материјал ги искривува магнетните линии на поле, што ги прави да преминат низ материјалот. Материјалот станува намагнетен, значително го зголемувајќи магнетното поле во него. За феромагнетни материјали, X има позитивна вредност од 1,000 до 100,000. Благодарение на нивната висока магнетна восприимчивост, овие материјали генерираат магнетно поле што е многу посилно од екстерно применетото.
Важно е да се забележи дека за феромагнетни материјали, X не е константа. Затоа, намагнетувањето (M) не е линеарна функција на екстерно применетото магнетно поле (B0).
Завршување
Магнетните материјали се критични во широк спектар на применби, вклучувајќи трансформатори, мотори и уреди за складирање на податоци. Магнетната состојба на супстанта зависи од бројот на атомски магнетни моменти во материјалот и колку добро се поравнати во присуство на екстерно магнетно поле. Како што е кратко објаснето, можеме да класифицираме магнетните материјали во три типа според овие критериуми: параметагнетни, диамагнетни и феромагнетни. Ќе ги истражиме овие категории во детал во следниот чланок.
