Materiali, applicazioni ed esempi di ferromagnetismo

Lui Ferromagnetismo È la proprietà che dà ad alcune sostanze una risposta magnetica intensa e permanente. In natura ci sono cinque elementi con questa proprietà: ferro, cobalto, nichel, gadolinio e dispositivo, le ultime terre rare.

In presenza di un campo magnetico esterno, come quello prodotto da un magnete naturale o un elettromagnete, una sostanza risponde in modo caratteristico, secondo la sua configurazione interna. L'entità che quantifica questa risposta è permeabilità magnetica.

Magneti che formano un ponte. Fonte: Pixabay

La permeabilità magnetica è una quantità senza dimensioni data dal quoziente tra l'intensità del campo magnetico generato all'interno del materiale e quello del campo magnetico applicato esternamente.

Quando questa risposta è molto maggiore di 1, il materiale è classificato come ferromagnetico. D'altra parte, se la permeabilità non è molto maggiore di 1, si ritiene che la risposta magnetica sia più debole, sono materiali paramagnetici.

In ferro, la permeabilità magnetica è dell'ordine di 10⁴. Ciò significa che il campo all'interno del ferro è circa 10000 volte maggiore del campo che si applica esternamente. Che dà un'idea di quanto sia potente la risposta magnetica di questo minerale.

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In che modo la risposta magnetica ha origine all'interno delle sostanze?

Il magnetismo è noto è un effetto associato al movimento delle cariche elettriche. Questa è proprio la corrente elettrica. Da dove provengono le proprietà magnetiche del magnete a barra da allora da cui è stata colpita una nota in frigorifero?

Il materiale del magnete e anche qualsiasi altra sostanza contiene protoni ed elettroni all'interno, che hanno il proprio movimento e generano correnti elettriche in diversi modi.

Un modello molto semplificato suppone l'elettrone nell'orbita circolare attorno al nucleo formato da protoni e neutroni, formando così una piccola spasi di corrente di corrente. Ogni spasi ha associato una grandezza vettoriale chiamata "momento magnetico orbitale", la cui intensità è data dal prodotto della corrente e dell'area determinata dal ciclo: il bohr magneton.

Naturalmente, in questo piccolo bit la corrente dipende dal carico di elettroni. Poiché tutte le sostanze contengono elettroni all'interno, hanno tutte la possibilità di esprimere proprietà magnetiche. Tuttavia, non tutti lo fanno.

Questo perché i loro momenti magnetici non sono allineati, ma disposti in modo casuale, quindi i loro effetti magnetici a livello macroscopico vengano cancellati.

La storia non finisce qui. Il prodotto del momento magnetico del movimento elettronico attorno al nucleo non è l'unica possibile fonte di magnetismo su questa scala.

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L'elettrone ha una sorta di movimento di rotazione attorno al suo asse. È un effetto che si traduce in un momento angolare intrinseco. Questa proprietà è chiamata rotazione dell'elettrone.

Naturalmente ha anche un momento magnetico associato ed è molto più intenso del momento orbitale. In effetti, il più grande contributo al momento magnetico netto dell'atomo è attraverso la rotazione, nonostante entrambi i momenti magnetici: quello della traduzione più il momento angolare intrinseco, contribuisce al momento magnetico totale dell'atomo.

Questi momenti magnetici sono quelli che tendono ad allinearsi in presenza di un campo magnetico esterno. E li fanno anche con i campi creati dai momenti vicini nel materiale.

Ora, gli elettroni di solito formano coppie in atomi con molti elettroni. Le coppie si formano tra elettroni con rotazione opposta, con conseguente momento magnetico di Spin.

L'unico modo in cui la rotazione contribuisce al momento magnetico totale è che qualcuno è scomparso, cioè l'atomo ha un numero dispari di elettroni.

Vale la pena chiedere cosa ci siano nel momento magnetico dei protoni nel nucleo. Perché hanno anche un tempo di spin, ma non è considerato contribuire in modo significativo al magnetismo di un atomo. È perché il momento di spin dipende inversamente dalla massa e dalla massa del protone è molto maggiore di quella dell'elettrone.

Domini magnetici

In ferro, cobalto e nichel, la triade di elementi con grande risposta magnetica, il momento netto di rotazione prodotto dagli elettroni non è zero ... In questi metalli, elettroni nell'orbitale 3D, il più esterno contribuisce al momento magnetico netto. Ecco perché tali materiali sono considerati ferromagnetici.

Tuttavia, questo singolo momento magnetico di ciascun atomo non è sufficiente per spiegare il comportamento dei materiali ferromagnetici.

All'interno di materiali fortemente magnetici ci sono regioni chiamate Domini magnetici, la cui estensione può variare da 10^-4 e 10^-1 CM e che contengono miliardi di atomi. In queste regioni, i momenti di rotazione netti degli atomi vicini gestiscono.

Quando un dominio magnetico si avvicina a un magnete, i domini si allineano tra loro, intensificando l'effetto magnetico.

È dovuto al fatto che i domini, come i magneti della barra, hanno poli magnetici, ugualmente indicati come nord e sud, in modo tale che i poli uguali si respingono e gli opposti attraggono.

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Mentre i domini si allineano con il campo esterno, il materiale emette scricchiola che può essere ascoltato mediante un'amplificazione appropriata.

Questo effetto può essere visto quando un magnete attira le unghie di ferro dolce e questi a loro volta si comportano come magneti che attirano altri chiodi.

I domini magnetici non sono bordi statici stabiliti all'interno del materiale. Le sue dimensioni possono essere modificate raffreddando o riscaldando il materiale e sottoponendolo anche all'azione dei campi magnetici esterni.

Tuttavia, la crescita del dominio non è illimitata. Nel momento in cui non è più possibile allinearli, si dice che il punto di saturazione del materiale sia stato raggiunto. Questo effetto si riflette nelle curve di isteresi che appaiono in seguito.

Il riscaldamento del materiale provoca la perdita di allineamento dei momenti magnetici. La temperatura alla quale la magnetizzazione è completamente persa in base al tipo di materiale, per un magnete a barra, di solito si perde circa 770 º C.

Una volta rimosso il magnete, la magnetizzazione delle unghie viene persa a causa dell'agitazione termica presente in ogni momento. Ma ci sono altri composti che hanno magnetizzazione permanente, per avere domini spontaneamente allineati.

I domini magnetici possono essere osservati quando un materiale ferromagnetico piatto viene tagliato e lucidato molto bene. Una volta che questo è cosparso di polvere o file di ferro.

Al microscopio si osserva che i chip sono raggruppati sulle regioni di formazione minerale con un orientamento molto ben definito, seguendo i domini magnetici del materiale.

La differenza di comportamento tra vari materiali magnetici è dovuta al modo in cui si comportano i domini.

Isteresi magnetica

L'isteresi magnetica è una caratteristica che solo i materiali con elevata permeabilità magnetica. Non presentare i materiali paramagnetici o diamagnetici.

Rappresenta l'effetto di un campo magnetico esterno applicato, che è indicato come H Sull'induzione magnetica B di un metallo ferromagnetico durante un ciclo di imanazione e desimanazione. Il grafico mostrato ha il nome della curva di isteresi.

Ciclo di isteresi ferromagnetico

Inizialmente nel punto o non c'è un campo applicato H Nessuna risposta magnetica B, Ma come intensità di H, Induzione B aumenta progressivamente fino a quando non raggiunge l'entità della saturazione B_S Al punto A, che è previsto.

Ora l'intensità di H Fino a quando non viene fatto, con quello che viene raggiunto al punto C, tuttavia la risposta magnetica del materiale non scompare, mantenendo A Magnetizzazione rimanente indicato dal valore B_R. Significa che il processo non è reversibile.

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Da lì l'intensità di H Aumento ma con polarità invertita (segno negativo), in modo che la magnetizzazione rimanente sia annullata nel punto D. Il valore necessario di H È indicato come H_C e ricevere il nome di campo coercitivo.

L'entità di H aumenta il valore di saturazione in e e immediatamente l'intensità di H Diminuisce fino a quando non raggiunge 0, ma c'è una magnetizzazione rimanente con polarità opposta a quella sopra descritta, al punto f.

Ora la polarità di H Ancora una volta e la sua grandezza è aumentata per annullare la risposta magnetica del materiale nel punto G. Seguendo la strada, la sua saturazione riprende. Ma la cosa interessante è che non è arrivato sulla strada originale indicata dalle frecce rosse.

Materiali magneticamente duri e morbidi: applicazioni

Il ferro dolce è più facile da magnetizzare rispetto all'acciaio e toccare il materiale, l'allineamento dei domini è ulteriormente facilitato.

Quando un materiale è facile da magnetizzare e piegarlo, si dice che lo sia magneticamente morbido, E ovviamente se il contrario accade è un materiale magneticamente duro. Nel secondo, i domini magnetici sono piccoli, mentre nei primi sono grandi, quindi possono essere visti attraverso il microscopio, come dettagliato sopra.

L'area racchiusa dalla curva di isteresi è una misura dell'energia necessaria per magnetizzare: piegare il materiale. Nella figura due curve di isteresi sono apprezzate per due materiali diversi. Quello a sinistra è magneticamente morbido, mentre quello a destra è difficile.

Un materiale ferromagnetico morbido ha un campo coercitivo H_C Piccola e una curva di isteresi stretta e alta. È un materiale appropriato posizionarlo nel nucleo di un trasformatore elettrico. Esempio di loro sono in ferro dolce e silicio e leghe di ferro-nichel, utili per le attrezzature di comunicazione.

D'altra parte, i materiali magneticamente duri sono difficili da un una volta immaginati, come con le leghe Alnico (alluminio-nichel-tute) e le leghe di terre rare con cui sono fabbricati magneti permanenti.

Riferimenti

1. Eisberg, r. 1978.  Fisica quantistica.  Limusa. 557 -577.
2. Giovane, Hugh. 2016. Fisica universitaria di Sears-Zansky con fisica moderna. 14 ° ed. Pearson. 943.
3. Zapata, f. (2003). Studio di mineralogie associate al pozzo di petrolio Guafita 8x appartenente al Campo di Guafita (Stato di Apure) attraverso misurazioni di suscettibilità magnetica e Mossbauer. Tesi di laurea. Università centrale del Venezuela.