FERROMAGNETISM: MATERIALE, APLICAȚII ȘI EXEMPLE - FIZIC - 2025

Feromagnetismului este proprietatea care oferă unele substanțe de răspuns magnetic intens și permanent. În natură există cinci elemente cu această proprietate: fier, cobalt, nichel, gadoliniu și disprosiu, ultimele pământuri rare.

În prezența unui câmp magnetic extern, precum cel produs de un magnet natural sau un electromagnet, o substanță răspunde într-un mod caracteristic, conform configurației sale interne. Mărimea care cuantifică acest răspuns este permeabilitatea magnetică.

Magneți care formează un pod. Sursa: Pixabay

Permeabilitatea magnetică este o cantitate dimensională dată de coeficientul dintre intensitatea câmpului magnetic generat în interiorul materialului și cel al câmpului magnetic aplicat extern.

Când acest răspuns este mult mai mare decât 1, materialul este clasificat ca feromagnetic. Pe de altă parte, dacă permeabilitatea nu este mult mai mare decât 1, răspunsul magnetic este considerat mai slab, sunt materiale paramagnetice.

În fier, permeabilitatea magnetică este de ordinul 10 ⁴ . Aceasta înseamnă că câmpul din interiorul fierului este de aproximativ 10.000 de ori mai mare decât câmpul aplicat extern. Ceea ce oferă o idee despre cât de puternic este răspunsul magnetic al acestui mineral.

Cum are loc răspunsul magnetic în interiorul substanțelor?

Magnetismul este cunoscut ca fiind un efect asociat cu mișcarea sarcinilor electrice. Tocmai din aceasta constă curentul electric. De unde provin proprietățile magnetice ale magnetului de bare cu care s-a lipit o notă pe frigider?

Materialul magnetului, precum și orice altă substanță conține protoni și electroni, care au mișcare proprie și generează curenți electrici în diverse moduri.

Un model foarte simplificat presupune electronul într-o orbită circulară în jurul nucleului format din protoni și neutroni, formând astfel o buclă minusculă de curent. Fiecare buclă este asociată cu o magnitudine vectorială numită „moment magnetic orbital”, a cărei intensitate este dată de produsul curentului și de zona determinată de buclă: magnetonul Bohr.

Desigur, în această mică buclă curentul depinde de încărcarea electronului. Deoarece toate substanțele conțin electroni în interiorul lor, toate au, în principiu, posibilitatea de a exprima proprietăți magnetice. Cu toate acestea, nu toți o fac.

Acest lucru se datorează faptului că momentele sale magnetice nu sunt aliniate, ci dispuse aleatoriu în interior, astfel încât efectele sale macroscopice magnetice se anulează.

Povestea nu se termină aici. Produsul momentului magnetic al mișcării electronilor în jurul nucleului nu este singura sursă posibilă de magnetism pe această scară.

Electronul are un fel de mișcare de rotație în jurul axei sale. Este un efect care se traduce într-un moment unghiular intrinsec. Această proprietate este numită spin electron.

În mod natural, are, de asemenea, un moment magnetic asociat și este mult mai puternic decât momentul orbital. De fapt, cea mai mare contribuție la momentul magnetic net al atomului este prin rotire, însă ambele momente magnetice: cea a translației, plus cea a momentului unghiular intrinsec, contribuie la momentul magnetic total al atomului.

Aceste momente magnetice sunt cele care tind să se alinieze în prezența unui câmp magnetic extern. Și o fac și cu câmpurile create de momentele vecine din material.

Acum, electronii se împerechează de obicei în atomi cu mulți electroni. Perechile se formează între electroni cu rotire opusă, ceea ce duce la anularea momentului magnetic de rotire.

Singurul mod în care spinul contribuie la momentul magnetic total este dacă unul dintre ei nu este împerecheat, adică atomul are un număr impar de electroni.

Ce zici de momentul magnetic al protonilor din nucleu? Ei bine, au și moment de rotire, dar nu se consideră că contribuie semnificativ la magnetismul unui atom. Acest lucru se datorează faptului că momentul de rotire este invers dependent de masă și masa protonului este mult mai mare decât cea a electronului.

Domeniile magnetice

În fier, cobalt și nichel, triada elementelor cu mare răspuns magnetic, momentul de rotire net produs de electroni nu este zero. În aceste metale, electronii din orbitalul 3d, cei mai exteriori, sunt care contribuie la momentul magnetic net. De aceea, astfel de materiale sunt considerate feromagnetice.

Cu toate acestea, acest moment magnetic individual al fiecărui atom nu este suficient pentru a explica comportamentul materialelor ferromagnetice.

În interiorul materialelor puternic magnetice există regiuni numite domenii magnetice , a căror extensie poate varia între 10 ^-4 și 10 ^-1 cm și care conțin miliarde de atomi. În aceste regiuni, momentele nete de rotire ale atomilor vecini devin strâns cuplate.

Când un material cu domenii magnetice se apropie de un magnet, domeniile se aliniază între ele, intensificând efectul magnetic.

Se datorează faptului că domeniile, cum ar fi magneții cu bare, au poli magnetici, notate în egală măsură Nord și Sud, astfel încât polii se resping și polii opuși atrag.

Pe măsură ce domeniile se aliniază cu câmpul extern, materialul emite sunete de fisurare care pot fi auzite prin amplificare adecvată.

Acest efect poate fi observat atunci când un magnet atrage unghiile moi de fier și acestea, la rândul lor, se comportă ca magneții care atrag alte cuie.

Domeniile magnetice nu sunt granițe statice stabilite în material. Dimensiunea acestuia poate fi modificată prin răcirea sau încălzirea materialului, supunându-l și acțiunii câmpurilor magnetice externe.

Cu toate acestea, creșterea domeniului nu este nelimitată. În momentul în care nu mai este posibil să le aliniați, se spune că s-a atins punctul de saturație al materialului. Acest efect este reflectat în curbele de histereză de mai jos.

Încălzirea materialului determină pierderea alinierii momentelor magnetice. Temperatura la care se pierde complet magnetizarea diferă în funcție de tipul de material, pentru un magnet cu bare se pierde de obicei la aproximativ 770ºC.

Odată îndepărtat magnetul, magnetizarea unghiilor se pierde din cauza agitației termice prezente în orice moment. Există însă și alți compuși care au magnetizare permanentă, deoarece au domenii aliniate spontan.

Domeniile magnetice pot fi observate atunci când o zonă plată din material ferromagnetic nemagnetizat, cum ar fi fierul moale, este foarte bine tăiată și lustruită. Odată făcut acest lucru, este stropit cu pulbere sau cu straturi fine de fier.

La microscop, se observă că cipurile sunt grupate pe regiunile de formare a mineralelor cu o orientare foarte bine definită, urmând domeniile magnetice ale materialului.

Diferența de comportament între diferite materiale magnetice se datorează modului în care domeniile se comportă în interiorul lor.

Isterieză magnetică

Istereza magnetică este o caracteristică pe care o au numai materialele cu permeabilitate magnetică ridicată. Nu este prezent în materialele paramagnetice sau diamagnetice.

Reprezintă efectul unui câmp magnetic extern aplicat, care este notat ca H, asupra inducției magnetice B a unui metal feromagnetic în timpul unui ciclu de magnetizare și demagnetizare. Graficul prezentat se numește curbă de histerezis.

Ciclul de histerezis feromagnetic

Inițial în punctul O nu există câmp aplicat H sau răspuns magnetic B , dar pe măsură ce intensitatea H crește , inducția B crește progresiv până la atingerea magnitudinii de saturație B _s în punctul A, ceea ce este de așteptat.

Acum intensitatea lui H scade progresiv până devine 0, cu aceea ajungem la punctul C, cu toate acestea răspunsul magnetic al materialului nu dispare, păstrând o magnetizare remanentă indicată de valoarea B _r . Înseamnă că procesul nu este reversibil.

De atunci, intensitatea H crește, dar cu polaritatea inversată (semn negativ), astfel încât magnetizarea remanentă este anulată la punctul D. Valoarea necesară a lui H este notată ca H _c și se numește câmp coercitiv .

Mărimea lui H crește până când atinge din nou valoarea de saturație și imediat intensitatea lui H scade până la 0, dar rămâne o magnetizare remanentă cu polaritate opusă celei descrise anterior, la punctul F.

Acum polaritatea H este inversată din nou și amploarea acestuia este mărită până când răspunsul magnetic al materialului din punctul G. este anulat. După calea GA saturația sa este obținută din nou. Dar interesant este că nu ai ajuns acolo pe calea inițială indicată de săgețile roșii.

Materiale dure și moi: aplicații

Fierul moale este mai ușor de magnetizat decât oțelul, iar atingerea materialului facilitează și mai mult alinierea domeniilor.

Când un material este ușor de magnetizat și de demagnetizat, se spune că este moale magnetic și, desigur, dacă se întâmplă opusul, acesta este un material dur din punct de vedere magnetic . În ultimele domenii magnetice sunt mici, în timp ce în primele acestea sunt mari, astfel încât pot fi văzute prin microscop, așa cum este detaliat mai sus.

Zona închisă de curba de histereză este o măsură a energiei necesare magnetizării - demagnetizarea materialului. Figura prezintă două curbe de histereză pentru două materiale diferite. Cel din stânga este magnetic moale, în timp ce cel din dreapta este dur.

Un material feromagnetic moale are un câmp coercitiv mic H _c și o curbă mare și îngustă de histerezis. Este un material adecvat care trebuie plasat în miezul unui transformator electric. Exemple dintre acestea sunt fierul moale și aliajele siliciu-fier și fier-nichel, utile pentru echipamentele de comunicații.

Pe de altă parte, materialele dure din punct de vedere magnetic sunt greu de de-magnetizat odată magnetizate, cum este cazul aliajelor alnico (aluminiu-nichel-cobalt) și aliajele de pământuri rare cu care se fabrică magneți permanenți.

Referințe

1. Eisberg, R. 1978. Fizica cuantică. Limusa. 557 -577.
2. Tânăr, Hugh. 2016. Sears-Zemansky's Physics University with Physics Modern. Ediția a 14-a Pearson. 943.
3. Zapata, F. (2003). Studiul mineralogiilor asociate cu godeul de ulei Guafita 8x aparținând câmpului Guafita (Apure State), utilizând măsurători de Mossbauer cu susceptibilitate magnetică și spectroscopie. Lucrare de diploma. Universitatea Centrală din Venezuela.