Feromagnetinių medžiagų savybės ir jų taikymas technologijoje
Aplink laidą su elektros srove, net ir vakuume, yra magnetinis laukas… Ir jei medžiaga įvedama į šį lauką, tada magnetinis laukas pasikeis, nes bet kuri medžiaga magnetiniame lauke yra įmagnetinta, tai yra, ji įgauna didesnį ar mažesnį magnetinį momentą, apibrėžiamą kaip elementarių magnetinių momentų, susijusių su dalys, sudarančios tą medžiagą.
Reiškinio esmė slypi tame, kad daugelio medžiagų molekulės turi savo magnetinius momentus, nes molekulių viduje juda krūviai, kurie formuoja elementarias žiedines sroves, todėl juos lydi magnetiniai laukai. Jei medžiagai netaikomas joks išorinis magnetinis laukas, jos molekulių magnetiniai momentai yra atsitiktinai orientuoti erdvėje, o bendras tokio mėginio magnetinis laukas (taip pat ir bendras molekulių magnetinis momentas) bus lygus nuliui.
Jei mėginys įvedamas į išorinį magnetinį lauką, tada jo molekulių elementariųjų magnetinių momentų orientacija įgis pirmenybę veikiant išoriniam laukui. Dėl to bendras medžiagos magnetinis momentas nebebus lygus nuliui, nes atskirų molekulių magnetiniai laukai naujomis sąlygomis vienas kito nekompensuoja. Taigi medžiaga sukuria magnetinį lauką B.
Jeigu medžiagos molekulės iš pradžių neturi magnetinių momentų (yra tokių medžiagų), tai įvedus tokį pavyzdį į magnetinį lauką, jame indukuojamos žiedinės srovės, tai yra, molekulės įgauna magnetinius momentus, kurie vėlgi dėl to atsiranda bendras magnetinis laukas B.
Dauguma žinomų medžiagų yra silpnai įmagnetintos magnetiniame lauke, tačiau yra ir medžiagų, kurios išsiskiria stipriomis magnetinėmis savybėmis, jos vadinamos feromagnetai… Feromagnetų pavyzdžiai: geležis, kobaltas, nikelis ir jų lydiniai.
Feromagnetai apima kietąsias medžiagas, kurios žemoje temperatūroje turi spontanišką (spontanišką) įmagnetinimą, kuris labai kinta veikiant išoriniam magnetiniam laukui, mechaninei deformacijai ar kintant temperatūrai. Taip elgiasi plienas ir geležis, nikelis ir kobaltas bei lydiniai. Jų magnetinis pralaidumas yra tūkstančius kartų didesnis nei vakuumo.
Dėl šios priežasties elektrotechnikoje jis tradiciškai naudojamas magnetiniam srautui praleisti ir energijai konvertuoti magnetinės šerdys, pagamintos iš feromagnetinių medžiagų.
Tokiose medžiagose magnetinės savybės priklauso nuo elementariųjų magnetizmo nešėjų magnetinių savybių - elektronai, judantys atomų viduje… Žinoma, elektronai, judantys orbitomis atomuose aplink savo branduolius, sudaro žiedines sroves (magnetinius dipolius). Tačiau šiuo atveju elektronai taip pat sukasi aplink savo ašis, sukurdami sukimosi magnetinius momentus, kurie tiesiog atlieka pagrindinį vaidmenį įmagnetinant feromagnetus.
Feromagnetinės savybės pasireiškia tik tada, kai medžiaga yra kristalinės būsenos. Be to, šios savybės labai priklauso nuo temperatūros, nes šiluminis judėjimas neleidžia stabiliai orientuotis elementariems magnetiniams momentams. Taigi kiekvienam feromagnetui nustatoma konkreti temperatūra (Curie taškas), kuriai esant sunaikinama įmagnetinimo struktūra ir medžiaga tampa paramagnetu. Pavyzdžiui, geležies temperatūra yra 900 ° C.
Net silpnuose magnetiniuose laukuose feromagnetai gali būti įmagnetinti iki prisotinimo. Be to, jų magnetinis pralaidumas priklauso nuo taikomo išorinio magnetinio lauko dydžio.
Įmagnetinimo proceso pradžioje magnetinė indukcija B tampa stipresnis feromagnetiniame, o tai reiškia magnetinis pralaidumas tai puiku.Bet kai įvyksta prisotinimas, toliau didinant išorinio lauko magnetinę indukciją, feromagneto magnetinis laukas nebedidėja, todėl mėginio magnetinis pralaidumas sumažėjo, dabar jis linkęs į 1.
Svarbi feromagnetų savybė yra priminimas… Tarkime, kad į ritę įdedamas feromagnetinis strypas ir, padidinus srovę ritėje, jis prisotinamas. Tada ritėje buvo išjungta srovė, tai yra, pašalintas ritės magnetinis laukas.
Bus galima pastebėti, kad strypas nėra išmagnetintas iki tokios būsenos, kokios buvo pradžioje, jo magnetinis laukas bus didesnis, tai yra, bus liekamoji indukcija. Strypas buvo sukamas tokiu būdu prie nuolatinio magneto.
Norint išmagnetinti tokį strypą atgal, jam reikės pritaikyti išorinį magnetinį lauką priešinga kryptimi ir indukcija lygi liekamajai indukcijai. Magnetinio lauko indukcijos modulio vertė, kurią reikia pritaikyti įmagnetintam feromagnetui (nuolatiniam magnetui), kad jį išmagnetintų, vadinama prievartos jėga.
Skirtingų feromagnetinių medžiagų įmagnetinimo kreivės (histerezės kilpos) skiriasi viena nuo kitos.
Kai kurios medžiagos turi plačias histerezės kilpas - tai medžiagos su dideliu likutiniu įmagnetinimu, jos vadinamos magnetiškai kietomis medžiagomis. Nuolatiniams magnetams gaminti naudojamos kietos magnetinės medžiagos.
Priešingai, minkštos magnetinės medžiagos turi siaurą histerezės kilpą, mažą liekamąjį įmagnetinimą ir lengvai įmagnetinamos silpnuose laukuose. Tai minkštos magnetinės medžiagos, naudojamos kaip transformatorių, variklių statorių ir kt. magnetinės šerdys.
Šiuolaikinėse technologijose feromagnetai vaidina labai svarbų vaidmenį. Minkštos magnetinės medžiagos (feritai, elektrinis plienas) naudojamos elektros varikliuose ir generatoriuose, transformatoriuose ir droseliuose, taip pat radijo inžinerijoje. Feritai pagaminti iš induktoriaus šerdys.
Nuolatiniams magnetams gaminti naudojamos kietos magnetinės medžiagos (bario, kobalto, stroncio, neodimio-geležies-boro feritai). Nuolatiniai magnetai plačiai naudojami elektriniuose ir akustiniuose instrumentuose, varikliuose ir generatoriuose, magnetiniuose kompasuose ir kt.