Ključni koncepti magnetnih materialov

Magnetni dipolni moment

Ko so izpostavljeni enakemu zunanjem magnetnemu polju, različni materiali lahko kažejo zelo različne odzive. Da bi se ugrabili pod teme, moramo najprej razumeti, kako magnetni dipoli določajo magnetsko obnašanje. To razumevanje začnemo s preučevanjem magnetnega dipolnega momenta.

Magnetni dipolni moment, ki ga pogosto krajše imenujemo kot magnetni moment, je osnovni koncept v elektromagnetiki. Ponuja močno orodje za razumevanje in kvantificiranje interakcije med tokovim zankom in enakomernim magnetnim poljem. Magnetni moment tokovnega zanka, ki ima ploščino A in nosi tok I, je definiran naslednje:

Opomba: Ploščina je definirana kot vektor, kar naredi tudi magnetni moment vektorsko količino. Oba vektorja imata isto smer.

Smer magnetnega momenta je pravokotna na ravnino zanka. Smer lahko določimo z uporabo pravilke desne roke – Če si zakriviš prste desne roke v smeri teka toka, kaže palec smer vektorskega magnetnega momenta. To je prikazano na Sliki 1.

Magnetni moment zanka je odvisen samo od toka, ki teče skozi njega, in ploščine, ki jo omejuje. Ne glede na obliko zanka ostane nespremenjen.

Vrtilna sila in magnetni moment

Poglejmo Sliko 2, ki prikazuje tokovni zank, postavljen v enakomerno magnetno polje.

Na zgornji sliki:

•  I predstavlja tok.

• B označuje vektor magnetnega polja.

• u predstavlja magnetni moment.

• θ označuje kot med vektorjem magnetnega momenta in vektorjem magnetnega polja.

Ker se sile, ki delujejo na nasprotnih straneh zanka, izenačijo, je skupna sila, ki deluje na zank, enaka nič. Vendar je zank podvržen magnetni vrtilni sili. Velikost te vrtilne sile, ki deluje na zank, je podana naslednje:

Iz Enačbe 2 lahko jasno opazimo, da je vrtilna sila (t) neposredno povezana z magnetnim momentom. To je zato, ker magnetni moment deluje kot magnet; ko je postavljen v zunanje magnetno polje, doživi vrtilno silo. Ta vrtilna sila vedno nagnja zank proti stabilni ravnovesni legi.

Stabilno ravnovesje dosežemo, ko je magnetno polje pravokotno na ravnino zanka (tj., θ=0^o  ). Če je zank le malo obrnjen od te lege, bo vrtilna sila delovala, da zank vrne nazaj v ravnovesno stanje. Vrtilna sila je tudi nič, ko je  θ=180^o. V tem primeru pa je zank v nestabilnem ravnovesju. Manjša rotacija od  θ=180^o bo povzročila, da vrtilna sila zank odpelje še dlje od te točke in ga vede proti  θ=0^o .

Zakaj je magnetni moment pomemben?

Številne naprave so odvisne od interakcije med tokovim zankom in magnetnim poljem. Na primer, vrtilna sila, ki jo generira električni motor, temelji na interakciji med motorjem in tokonosnimi vodiči. Med to interakcijo se potencialna energija spreminja, ko se vodiči vrtijo.

Je interakcija med magnetnim momentom in zunanje magnetnim poljem, ki ustvarja potencialno energijo v našem magnetskem sistemu. Kot med tema dvema vektorjema določa količino energije (U), shranjeno v sistemu, kot je prikazano v naslednji enačbi:

Naslednje prikazuje shranjene vrednosti energije za nekaj ključnih konfiguracij:

Ko je θ=0^o , je sistem v stabilnem ravnovesnem stanju, in shranjena energija doseže svoje minimum, z U=-uB.

Ko je θ=90^o , je shranjena energija narasla na U=0 .

Ko je θ=180^o, doseže shranjena energija svojo maksimalno vrednost, U=uB . To posebno stanje predstavlja nestabilno ravnovesno lego.

Razumevanje skupnega magnetnega momenta preko atomskega modela

Da bi celovito razumeli, kako magnetski materiali generirajo magnetsko polje, je ključnega pomena globlje se dotakniti kvantne mehanike. Vendar ker ta tematika ne spada v okvir tega članka, lahko še vedno uporabimo koncept magnetnega momenta in klasičnega atomskega modela, da pridobimo dragocene vpogledi v to, kako materiali interagirajo z zunanje magnetskim poljem.

Ta model prikazuje elektron tako, da kruga okoli atoma in vrte okoli lastne osi, kot je jasno prikazano na Sliki 3.

Skupni magnetni moment elektronov, atomov in objektov

Orbitalno gibanje elektrona lahko primerjamo z majhnim tokovim zankom. Tako ustvari magnetni moment (označen kot (u1 ) na zgornji sliki). Podobno tudi vrtenje elektrona ustvari magnetni moment (u2). Skupni magnetni moment elektrona je vektorska vsota teh dveh magnetnih momentov.

Za atom je njegov skupni magnetni moment vektorska vsota magnetnih momentov vseh njegovih elektronov. Čeprav protoni v atomu tudi imajo magnetni dipol, njihov skupni učinek je običajno zanemarljiv v primerjavi z elektroni.

Skupni magnetni moment objekta je določen z vzemljivo vektorske vsote magnetnih momentov vseh atomov znotraj njega.

Vektor magnetizacije

Magnetske lastnosti materiala so določene z magnetnimi momenti njegovih sestavnih delcev. Kot smo že razpravljali v tem članku, te magnetske momente lahko mislimo kot majhne magnete. Ko je material postavljen v zunanje magnetsko polje, se atomske magnetske momente znotraj materiala interagirajo z uporabljenim poljem in doživijo vrtilno silo. Ta vrtilna sila ima tendenco poravnati magnetske momente v isto smer.

Magnetno stanje snovi je odvisno od dveh faktorjev: števila atomskega magnetskega momenta, prisotnega v materialu, in stopnje njihove poravnave. Če so magnetski momenti, generirani z mikroskopskimi tokovimi zanki, naključno usmerjeni, bodo težili k izničevanju drug drugega, kar bo vodilo do zanemarljivega skupnega magnetskega polja. Za opis magnetskega stanja snovi uvajamo vektor magnetizacije. Definiran je kot skupni magnetski moment na enoto prostornine snovi:

kjer V predstavlja prostornino materiala.

Ko je material izpostavljen zunanje magnetsko polje, njegovi magnetski momenti težijo k poravnave, kar vodi do povečanja velikosti vektorja magnetizacije. Značilnosti vektorja magnetizacije so tudi vplivane na materialno klasifikacijo paramagnetnega, feromagnetnega ali diamagnetnega.

Paramagnetni in feromagnetni materiali so sestavljeni iz atomov z stalnimi magnetskimi momenti. V nasprotju s tem, atomske magnetske momente v diamagnetnih materialih niso stalni.

Iskanje skupnega magnetskega polja: prozračnost in občutljivost

Predpostavimo, da postavimo material znotraj magnetskega polja. Skupno magnetsko polje znotraj materiala ima dva različna vira:

• Zunanje uporabljeni magnetski polje (B0).

• Magnetizacija materiala v odziv na zunanje polje (Bm).

Skupno magnetsko polje znotraj materiala je vsota teh dveh komponent:

B0 je ustvarjeno z tokonosnim vodičem; Bm je ustvarjeno z magnetskim materialom. Lahko se pokaže, da je Bm sorazmeren s vektorjem magnetizacije:

kjer je μ0 konstanta, imenovana prozračnost prostora. Torej imamo:

Vektor magnetizacije je tudi povezan z zunanje poljem s sledečo enačbo:

kjer grška črka χ predstavlja proporcionalni faktor, imenovan magnetska občutljivost. Vrednost χ je odvisna od vrste materiala.

Z združevanjem zadnjih dveh enačb, imamo:

Pomen enačbe in relativna prozračnost

Ta enačba ima intuitivno tolmačenje: pokazuje, da je skupno magnetsko polje znotraj materiala enako zunanje uporabljeni magnetsko polje, pomnoženo z faktorjem 1+x . Ta faktor, imenovan relativna prozračnost, služi kot ključni parameter za karakteriziranje, kako material odziva na magnetsko polje. Relativna prozračnost je običajno označena z ur.

Magnetska občutljivost različnih materialov

Slika 4 prikazuje magnetsko obnašanje treh različnih vrst materialov, ko so postavljeni v enakomerno magnetsko polje. Notranja območje materiala je predstavljeno s rumenim pravokotnikom.

Magnetska občutljivost različnih materialov

Na Sliki 4(a) so magnetske linije znotraj materiala bolj razmaknjene v primerjavi z zunanjimi. To kaže, da je skupno magnetsko polje znotraj diamagnetnega materiala rahlo slabše od zunanje uporabljenega polja. Za diamagnetne materiale je magnetska občutljivost (X) majhna negativna vrednost. Na primer, pri 300 K ima bakar magnetsko občutljivost –9.8 × 10⁻⁶. Tako material delno odpelje magnetsko polje iz notranjosti.

Slika 4(b) prikazuje odziv paramagnetnega materiala. Tukaj so magnetske linije znotraj materiala tesneje zapakirane kot zunanjega polja. To pomeni, da je skupno magnetsko polje znotraj materiala rahlo močnejše od zunanje polja. Za paramagnetne materiale je X majhna pozitivna vrednost. Na primer, pri 300 K je magnetska občutljivost litija 2.1 × 10⁻⁵.

Končno, na Sliki 4(c) feromagnetni material distorira magnetske linije, ki jih vodijo skozi material. Material postane magnetiziran, kar znatno poveča magnetsko polje znotraj. Za feromagnetne materiale ima X pozitivno vrednost, ki sega od 1,000 do 100,000. Zaradi visoke magnetske občutljivosti ti materiali generirajo magnetsko polje, ki je mnogo močnejše od zunanje uporabljenega.

Pomembno je opozoriti, da za feromagnetne materiale, X ni konstanta. Torej magnetizacija (M) ni linearna funkcija zunanje uporabljenega magnetskega polja (B0).

Zaključek

Magnetski materiali so ključni v številnih aplikacijah, vključno z transformatorji, motorji in napravami za shranjevanje podatkov. Magnetsko stanje snovi je odvisno od števila atomskega magnetskega momenta v materialu in kako dobro se poravnajo v prisotnosti zunanje magnetskega polja. Kot smo krajše razpravljali, lahko magnetske materiale razdelimo na tri vrste glede na te kriterije: paramagnetne, diamagnetne in feromagnetne. Te kategorije bomo podrobneje raziskali v prihodnjem članku.