MAGNETI I MAGNETSKA SVOJSTVA TVARI
Najjednostavnije manifestacije magnetizma poznate su jako dugo i poznate su većini nas. Međutim, objasniti ove naizgled jednostavne pojave na temelju temeljnih principa fizike uspjelo tek relativno nedavno. Postoje dva magneta različiti tipovi. Neki su takozvani trajni magneti, napravljeni od "tvrdih magnetskih" materijala. Njihova magnetska svojstva nisu povezana s korištenjem vanjskih izvora ili struja. Druga vrsta uključuje takozvane elektromagnete s jezgrom od "mekog magnetskog" željeza. Magnetska polja koja stvaraju uglavnom su posljedica činjenice da električna struja prolazi kroz žicu namota koji pokriva jezgru.
Magnetski polovi i magnetsko polje. Magnetska svojstva šipkastog magneta najuočljivija su blizu njegovih krajeva. Ako se takav magnet objesi na središnji dio tako da se može slobodno okretati u vodoravnoj ravnini, tada će zauzeti položaj koji približno odgovara smjeru od sjevera prema jugu. Kraj šipke koji pokazuje prema sjeveru naziva se sjeverni pol, a suprotni kraj naziva se južni pol. Suprotni polovi dvaju magneta privlače se, a istolični se odbijaju. Ako se šipka nemagnetiziranog željeza približi jednom od polova magneta, potonji će se privremeno magnetizirati. U tom će slučaju pol magnetizirane šipke koji je najbliži polu magneta biti suprotan po imenu, a daleki pol će imati isto ime. Privlačenje između pola magneta i suprotnog pola koje on inducira u šipki objašnjava djelovanje magneta. Neki materijali (kao što je čelik) sami postaju slabi trajni magneti nakon što su u blizini trajnog magneta ili elektromagneta. Čelična šipka može se magnetizirati jednostavnim prolaskom kraja trajnog magneta preko njenog kraja. Dakle, magnet privlači druge magnete i predmete napravljene od magnetskih materijala, a da nije u kontaktu s njima. Takvo djelovanje na daljinu objašnjava se postojanjem magnetskog polja u prostoru oko magneta. Nekakva predodžba o intenzitetu i smjeru ovog magnetskog polja može se dobiti izlijevanjem željeznih strugotina na list kartona ili stakla postavljen na magnet. Piljevina će se nizati u lancima u smjeru polja, a gustoća linija strugotine će odgovarati intenzitetu ovog polja. (Najdeblje su na krajevima magneta, gdje je intenzitet magnetskog polja najveći.) M. Faraday (1791.-1867.) uveo je koncept zatvorenih indukcijskih linija za magnete. Linije indukcije izlaze iz magneta na njegovom sjevernom polu u okolni prostor, ulaze u magnet na južnom polu i prolaze unutar materijala magneta od južnog pola natrag do sjevernog, tvoreći zatvorenu petlju. Ukupan broj linija indukcije koje izlaze iz magneta naziva se magnetski tok. Gustoća magnetskog toka ili magnetska indukcija (B) jednaka je broju indukcijskih linija koje prolaze duž normale kroz elementarno područje jedinične veličine. Magnetska indukcija određuje silu kojom magnetsko polje djeluje na vodič sa strujom koji se nalazi u njemu. Ako se vodič kroz koji prolazi struja I nalazi okomito na linije indukcije, tada je, prema Amperovom zakonu, sila F koja djeluje na vodič okomita i na polje i na vodič i proporcionalna je magnetskoj indukciji, jakost struje i duljina vodiča. Dakle, za magnetsku indukciju B možemo napisati izraz
Gdje je F sila u njutnima, I je struja u amperima, l je duljina u metrima. Jedinica magnetske indukcije je tesla (T)
(vidi također ELEKTRICITET I MAGNETIZAM).
Galvanometar. Galvanometar je osjetljiv uređaj za mjerenje slabih struja. Galvanometar koristi zakretni moment koji nastaje interakcijom trajnog magneta u obliku potkove s malom zavojnicom kojom teče struja (slabi elektromagnet) obješenom u razmak između polova magneta. Zakretni moment, a time i otklon zavojnice, proporcionalan je struji i ukupnoj magnetskoj indukciji u zračnom rasporu, tako da je skala instrumenta gotovo linearna s malim otklonima zavojnice. Sila magnetiziranja i jakost magnetskog polja. Zatim treba uvesti još jednu veličinu koja karakterizira magnetsko djelovanje električna struja. Pretpostavimo da struja prolazi kroz žicu dugačke zavojnice unutar koje se nalazi materijal koji se magnetizira. Sila magnetiziranja je umnožak električne struje u zavojnici i broja njezinih zavoja (ta se sila mjeri u amperima, jer je broj zavoja bezdimenzionalna veličina). Jakost magnetskog polja H jednaka je sili magnetiziranja po jedinici duljine zavojnice. Dakle, vrijednost H se mjeri u amperima po metru; određuje magnetizaciju koju je stekao materijal unutar zavojnice. U vakuumu je magnetska indukcija B proporcionalna jakosti magnetskog polja H:
Gdje je m0 - tzv. magnetska konstanta, koja ima univerzalnu vrijednost od 4pCh10-7 H/m. U mnogim materijalima, vrijednost B je približno proporcionalna H. Međutim, u feromagnetskim materijalima, odnos između B i H je nešto kompliciraniji (o čemu će biti riječi u nastavku). Na sl. Slika 1 prikazuje jednostavan elektromagnet dizajniran za hvatanje opterećenja. Izvor energije je DC baterija. Slika također prikazuje silnice polja elektromagneta, koje se mogu otkriti uobičajenom metodom željeznih strugotina.
Veliki elektromagneti sa željeznim jezgrama i vrlo velikim brojem amper-zavoja, koji rade u kontinuiranom načinu rada, imaju veliku silu magnetiziranja. U razmaku između polova stvaraju magnetsku indukciju do 6 T; ta je indukcija ograničena samo mehaničkim naprezanjima, zagrijavanjem zavojnica i magnetskim zasićenjem jezgre. Niz divovskih elektromagneta (bez jezgre) s vodenim hlađenjem, kao i instalacije za stvaranje impulsnih magnetskih polja, dizajnirao je P.L. Kapitsa (1894-1984) u Cambridgeu iu Institutu za fizičke probleme Akademije znanosti SSSR-a i F. Massachusetts Institute of Technology. Na takvim magnetima bilo je moguće postići indukciju do 50 T. Relativno mali elektromagnet koji proizvodi polja do 6,2 T, troši 15 kW električne energije i hladi se tekućim vodikom, razvijen je u Nacionalnom laboratoriju Losalamos. Slična polja se dobivaju na niskim temperaturama.
Magnetska permeabilnost i njezina uloga u magnetizmu. Magnetska permeabilnost m je vrijednost koja karakterizira magnetska svojstva materijala. Feromagnetski metali Fe, Ni, Co i njihove legure imaju vrlo visoke maksimalne propusnosti - od 5000 (za Fe) do 800 000 (za supermalloy). U takvim materijalima, pri relativno niskim jakostima polja H, dolazi do velikih indukcija B, ali je odnos između tih veličina, općenito govoreći, nelinearan zbog fenomena zasićenja i histereze, o kojima će biti riječi u nastavku. Fero magnetski materijali snažno privlače magneti. Oni gube svoja magnetska svojstva na temperaturama iznad Curiejeve točke (770°C za Fe, 358°C za Ni, 1120°C za Co) i ponašaju se kao paramagneti, za koje je indukcija B proporcionalna s njom do vrlo visokih vrijednosti jakoće H - u potpuno isto kao i u vakuumu. Mnogi elementi i spojevi su paramagnetični na svim temperaturama. Paramagnetske tvari karakteriziraju magnetiziranje u vanjskom magnetskom polju; ako se ovo polje isključi, paramagneti se vraćaju u nemagnetizirano stanje. Magnetizacija u feromagnetima je sačuvana i nakon isključivanja vanjskog polja. Na sl. Slika 2 prikazuje tipičnu petlju histereze za magnetski tvrdi (veliki gubici) feromagnetski materijal. Karakterizira dvosmislenu ovisnost magnetizacije magnetski uređenog materijala o jakosti magnetizirajućeg polja. S porastom jakosti magnetskog polja od početne (nulte) točke (1), magnetiziranje se odvija duž isprekidane crte 1-2, a vrijednost m se značajno mijenja kako raste magnetiziranje uzorka. U točki 2 dolazi do zasićenja, tj. daljnjim povećanjem intenziteta magnetiziranje više ne raste. Ako sada postupno smanjimo vrijednost H na nulu, tada krivulja B(H) više ne slijedi prethodnu putanju, već prolazi kroz točku 3, otkrivajući, takoreći, "sjećanje" materijala na "prošlu povijest ", otuda i naziv "histereza". Očito je u ovom slučaju sačuvana neka zaostala magnetizacija (segment 1-3). Nakon promjene smjera magnetizirajućeg polja u suprotnu krivulja B (H) prolazi točkom 4, a segment (1)-(4) odgovara koercitivnoj sili koja sprječava demagnetizaciju. Daljnji porast vrijednosti (-H) vodi krivulju histereze u treći kvadrant - odjeljak 4-5. Naknadno smanjenje vrijednosti (-H) na nulu, a zatim povećanje pozitivne vrijednosti H će zatvoriti petlju histereze kroz točke 6, 7 i 2.
Magnetski tvrde materijale karakterizira široka petlja histereze koja pokriva značajno područje na dijagramu i stoga odgovara velikim vrijednostima zaostale magnetizacije (magnetske indukcije) i prisilne sile. Uska petlja histereze (slika 3) karakteristična je za meke magnetske materijale kao što su meki čelici i posebne legure s visokom magnetskom propusnošću. Takve legure stvorene su kako bi se smanjili gubici energije uslijed histereze. Većina tih specijalnih legura, poput feritnih, ima visoku električnu otpornost, što smanjuje ne samo magnetske gubitke, već i električne gubitke zbog vrtložnih struja.
Magnetski materijali visoke permeabilnosti proizvode se žarenjem, koje se provodi držanjem na temperaturi od oko 1000 °C, nakon čega slijedi kaljenje (postupno hlađenje) do sobna temperatura. U ovom slučaju vrlo je značajna prethodna mehanička i toplinska obrada, kao i odsutnost nečistoća u uzorku. Za jezgre transformatora početkom 20.st. razvijeni su silicijski čelici čija je vrijednost m rasla s povećanjem sadržaja silicija. Između 1915. i 1920. godine pojavljuju se permaloji (legure Ni s Fe) sa svojom karakterističnom uskom i gotovo pravokutnom petljom histereze. Hiperne (50% Ni, 50% Fe) i mu-metalne legure (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr) karakteriziraju posebno visoke vrijednosti magnetske permeabilnosti m pri niskim vrijednostima H, dok je u perminvaru (45 % Ni, 30 % Fe, 25 % Co) vrijednost m praktički konstantna u širokom rasponu promjena jakosti polja. Od suvremenih magnetskih materijala treba spomenuti supermalloy - leguru s najvećom magnetskom propusnošću (sadrži 79% Ni, 15% Fe i 5% Mo).
Teorije magnetizma. Po prvi put, ideja da se magnetski fenomeni u konačnici svode na električne proizašla je od Ampèrea 1825., kada je izrazio ideju o zatvorenim unutarnjim mikrostrujama koje kruže u svakom atomu magneta. Međutim, bez ikakve eksperimentalne potvrde o postojanju takvih struja u tvari (elektron je otkrio J. Thomson tek 1897., a opis strukture atoma dali su Rutherford i Bohr 1913.), ova je teorija "izblijedjela ". Godine 1852. W. Weber je predložio da svaki atom magnetska tvar je maleni magnet ili magnetski dipol, tako da se puna magnetizacija tvari postiže kada su svi pojedinačni atomski magneti poredani određenim redoslijedom (slika 4b). Weber je vjerovao da molekularno ili atomsko "trenje" pomaže ovim elementarnim magnetima da zadrže svoj poredak unatoč uznemirujućem utjecaju toplinskih vibracija. Njegova je teorija uspjela objasniti magnetizaciju tijela pri dodiru s magnetom, kao i njihovu demagnetizaciju pri udaru ili zagrijavanju; konačno, "umnožavanje" magneta također je objašnjeno kada se magnetizirana igla ili magnetska šipka izrežu na komade. Pa ipak, ova teorija nije objasnila niti podrijetlo samih elementarnih magneta, niti fenomene zasićenja i histereze. Weberovu teoriju poboljšao je 1890. J. Ewing, koji je svoju hipotezu o atomskom trenju zamijenio idejom o međuatomskim ograničavajućim silama koje pomažu u održavanju reda elementarnih dipola koji čine trajni magnet.
Pristup problemu, koji je jednom predložio Ampere, dobio je drugi život 1905., kada je P. Langevin objasnio ponašanje paramagnetskih materijala pripisujući svakom atomu unutarnju nekompenziranu struju elektrona. Prema Langevinu, upravo te struje tvore sićušne magnete, nasumično usmjerene kada je vanjsko polje odsutno, ali poprimaju uređenu orijentaciju nakon njegove primjene. U ovom slučaju, aproksimacija potpunog uređenja odgovara zasićenju magnetizacije. Nadalje, Langevin je uveo koncept magnetskog momenta, koji je za zasebni atomski magnet jednak umnošku "magnetskog naboja" pola i udaljenosti između polova. Dakle, slabi magnetizam paramagnetskih materijala posljedica je ukupnog magnetskog momenta koji stvaraju nekompenzirane struje elektrona. Godine 1907. P. Weiss uveo je koncept "domena", koji je postao važan doprinos modernoj teoriji magnetizma. Weiss je zamislio domene kao male "kolonije" atoma, unutar kojih su magnetski momenti svih atoma, iz nekog razloga, prisiljeni zadržati istu orijentaciju, tako da je svaka domena magnetizirana do zasićenja. Jedna domena može imati linearne dimenzije oko 0,01 mm i, sukladno tome, volumen je oko 10-6 mm3. Domene su odvojene takozvanim Blochovim stijenkama, čija debljina ne prelazi 1000 atomskih dimenzija. "Zid" i dvije suprotno orijentirane domene shematski su prikazane na sl. 5. Takve stijenke su "prijelazni slojevi" u kojima se mijenja smjer magnetizacije domene.
U općem slučaju na početnoj krivulji magnetiziranja mogu se razlikovati tri dijela (slika 6). U početnom dijelu stijenka se pod djelovanjem vanjskog polja pomiče kroz debljinu tvari sve dok ne naiđe na defekt kristalne rešetke, koji je zaustavlja. Povećanjem jakosti polja, možete učiniti da se zid pomakne dalje, kroz srednji dio između isprekidanih linija. Ako se nakon toga jakost polja ponovno smanji na nulu, tada se stijenke više neće vratiti u prvobitni položaj, tako da će uzorak ostati djelomično magnetiziran. Ovo objašnjava histerezu magneta. Na kraju krivulje, proces završava zasićenjem magnetizacije uzorka zbog sređivanja magnetizacije unutar posljednjih nesređenih domena. Ovaj proces je gotovo potpuno reverzibilan. Magnetsku tvrdoću pokazuju oni materijali u kojima atomska rešetka sadrži mnoge nedostatke koji sprječavaju pomicanje međudomenskih stijenki. To se može postići mehanički i toplinska obrada, na primjer, komprimiranjem i zatim sinteriranjem materijala u prahu. U alnico legurama i njihovim analogima isti se rezultat postiže stapanjem metala u složenu strukturu.
Osim paramagnetskih i feromagnetskih materijala, postoje materijali s tzv. antiferomagnetskim i ferimagnetskim svojstvima. Razlika između ovih vrsta magnetizma ilustrirana je na sl. 7. Na temelju koncepta domena, paramagnetizam se može smatrati fenomenom zbog prisutnosti u materijalu malih skupina magnetskih dipola, u kojima pojedini dipoli međusobno vrlo slabo djeluju (ili uopće ne djeluju) i stoga , u nedostatku vanjskog polja, zauzimaju samo slučajne orijentacije (Sl. 7a). U feromagnetskim materijalima, unutar svake domene, postoji jaka interakcija između pojedinačnih dipola, što dovodi do njihovog uređenog paralelnog poravnanja (slika 7b). U antiferomagnetskim materijalima, naprotiv, interakcija između pojedinačnih dipola dovodi do njihovog antiparalelnog uređenog poravnanja, tako da je ukupni magnetski moment svake domene jednak nuli (slika 7c). Konačno, u ferimagnetskim materijalima (na primjer, feritima) postoji i paralelno i antiparalelno uređenje (slika 7d), što rezultira slabim magnetizmom.
Postoje dvije uvjerljive eksperimentalne potvrde postojanja domena. Prvi od njih je takozvani Barkhausenov efekt, drugi je metoda praškaste figure. Godine 1919. G. Barkhausen je ustanovio da kada se vanjsko polje primijeni na uzorak feromagnetskog materijala, njegova se magnetizacija mijenja u malim diskretnim dijelovima. Sa stajališta domenske teorije, to nije ništa drugo nego skokovito napredovanje međudomenskog zida, koji nailazi na pojedinačne nedostatke koji ga koče na putu. Taj se učinak obično detektira pomoću zavojnice u koju je postavljena feromagnetska šipka ili žica. Ako se jaki magnet naizmjenično prinosi uzorku i uklanja s njega, uzorak će se magnetizirati i ponovno magnetizirati. Skokovite promjene magnetizacije uzorka mijenjaju magnetski tok kroz zavojnicu i u njoj se pobuđuje indukcijska struja. Napon koji se u ovom slučaju javlja u zavojnici se pojačava i dovodi do ulaza para akustičnih slušalica. Klikovi koji se čuju kroz slušalice ukazuju na naglu promjenu magnetizacije. Da bi se otkrila domenska struktura magneta metodom praškastih likova, kap koloidne suspenzije feromagnetskog praha (obično Fe3O4) nanosi se na dobro uglačanu površinu magnetiziranog materijala. Čestice praha talože se uglavnom na mjestima najveće nehomogenosti magnetskog polja - na granicama domena. Takva se struktura može proučavati pod mikroskopom. Predložena je i metoda koja se temelji na prolazu polarizirane svjetlosti kroz prozirni feromagnetski materijal. Weissova izvorna teorija magnetizma u svojim glavnim značajkama zadržala je svoj značaj do danas, međutim, dobila je ažuriranu interpretaciju koja se temelji na konceptu nekompenziranih spinova elektrona kao čimbenika koji određuje atomski magnetizam. Hipotezu o postojanju intrinzičnog momenta elektrona iznijeli su 1926. S. Goudsmit i J. Uhlenbeck, a danas se elektroni kao nositelji spina smatraju "elementarnim magnetima". Kako bismo pojasnili ovaj koncept, razmotrimo (slika 8) slobodni atom željeza - tipični feromagnetski materijal. Njegove dvije ljuske (K i L), najbliže jezgri, ispunjene su elektronima, od kojih su dva na prvoj, a osam na drugoj. U K-ljusci, spin jednog od elektrona je pozitivan, a drugog je negativan. U L-ljusci (točnije u njezine dvije podljuske) četiri od osam elektrona imaju pozitivne spinove, a ostala četiri imaju negativne spinove. U oba slučaja, spinovi elektrona unutar iste ljuske potpuno se poništavaju, tako da je ukupni magnetski moment jednak nuli. U M ljusci situacija je drugačija, jer od šest elektrona u trećoj podljusci pet elektrona ima spin u jednom smjeru, a samo šesti u drugom. Kao rezultat toga ostaju četiri nekompenzirana spina, što određuje magnetska svojstva atoma željeza. (Postoje samo dva valentna elektrona u vanjskoj N ljusci, koji ne pridonose magnetizmu atoma željeza.) Magnetizam drugih feromagneta, kao što su nikal i kobalt, objašnjava se na sličan način. Budući da susjedni atomi u uzorku željeza snažno međusobno djeluju, a njihovi elektroni su djelomično kolektivizirani, ovo objašnjenje treba promatrati samo kao ilustrativnu, ali vrlo pojednostavljenu shemu stvarnog stanja.
Teoriju atomskog magnetizma, koja se temelji na spinu elektrona, podupiru dva zanimljiva žiromagnetska eksperimenta, od kojih su jedan izveli A. Einstein i W. de Haas, a drugi S. Barnett. U prvom od ovih eksperimenata, cilindar od feromagnetskog materijala bio je obješen kao što je prikazano na sl. 9. Ako se kroz žicu za namatanje pusti struja, tada se cilindar okreće oko svoje osi. Kada se smjer struje (a time i magnetskog polja) promijeni, ona se okreće u suprotnom smjeru. U oba slučaja, rotacija cilindra je posljedica uređenja elektronskih spinova. U Barnettovom eksperimentu, naprotiv, viseći cilindar, naglo doveden u stanje rotacije, magnetiziran je u odsutnosti magnetskog polja. Ovaj učinak se objašnjava činjenicom da se tijekom rotacije magneta stvara žiroskopski moment, koji teži zakretanju momenta spina u smjeru vlastite osi rotacije.
Za potpunije objašnjenje prirode i porijekla sila kratkog dometa koje uređuju susjedne atomske magnete i suprotstavljaju učinak poremećaja toplinskog gibanja, treba se okrenuti kvantnoj mehanici. Kvantno mehaničko objašnjenje prirode ovih sila predložio je 1928. W. Heisenberg, koji je pretpostavio postojanje međudjelovanja razmjene između susjednih atoma. Kasnije su G. Bethe i J. Slater pokazali da sile izmjene značajno rastu sa smanjenjem udaljenosti između atoma, ali nakon postizanja određene minimalne međuatomske udaljenosti padaju na nulu.
MAGNETSKA SVOJSTVA TVARI
Jedno od prvih opsežnih i sustavnih istraživanja magnetskih svojstava materije poduzeo je P. Curie. Ustanovio je da se sve tvari prema svojim magnetskim svojstvima mogu podijeliti u tri klase. U prvu spadaju tvari s izraženim magnetskim svojstvima, sličnim onima željeza. Takve se tvari nazivaju feromagneticima; njihovo je magnetsko polje vidljivo na znatnim udaljenostima (vidi gore). Supstance koje se nazivaju paramagneticima spadaju u drugu klasu; njihova su magnetska svojstva općenito slična onima feromagnetskih materijala, ali mnogo slabija. Na primjer, sila privlačenja polova snažnog elektromagneta može vam iz ruku izvući željezni čekić, a da bi se detektirala privlačnost paramagnetske tvari prema istom magnetu, u pravilu su potrebne vrlo osjetljive analitičke vage . Posljednja, treća klasa uključuje tzv. dijamagnetske tvari. Odbija ih elektromagnet, t.j. sila koja djeluje na dijamagnete usmjerena je suprotno od one koja djeluje na fero- i paramagnete.
Mjerenje magnetskih svojstava. U proučavanju magnetskih svojstava najvažnija su dva tipa mjerenja. Prvo od njih je mjerenje sile koja djeluje na uzorak u blizini magneta; tako se utvrđuje magnetizacija uzorka. Druga skupina uključuje mjerenja "rezonantnih" frekvencija povezanih s magnetizacijom materije. Atomi su sićušni "žiroskopi" iu magnetskom polju precesiraju (poput normalne rotacije pod utjecajem okretnog momenta stvorenog gravitacijom) na frekvenciji koja se može izmjeriti. Osim toga, sila djeluje na slobodne nabijene čestice koje se gibaju pod pravim kutom u odnosu na linije magnetske indukcije, kao i na struju elektrona u vodiču. Uzrokuje kretanje čestice po kružnoj orbiti čiji je polumjer dan R = mv/eB, gdje je m masa čestice, v njezina brzina, e njezin naboj, a B jakost magnetskog polja. Frekvencija takvog kružnog gibanja jednaka je
gdje se f mjeri u hercima, e je u kulonima, m je u kilogramima, B je u teslama. Ova frekvencija karakterizira kretanje nabijenih čestica u tvari u magnetskom polju. Obje vrste gibanja (precesija i gibanje u kružnim orbitama) mogu se pobuditi izmjeničnim poljima s rezonantnim frekvencijama jednakim "prirodnim" frekvencijama karakterističnim za dati materijal. U prvom slučaju, rezonancija se naziva magnetska, au drugom - ciklotronska (s obzirom na sličnost s cikličkim gibanjem subatomske čestice u ciklotronu). Govoreći o magnetskim svojstvima atoma, potrebno je obratiti posebnu pozornost na njihov kutni moment. Magnetsko polje djeluje na rotirajući atomski dipol, nastojeći ga rotirati i postaviti paralelno s poljem. Umjesto toga, atom počinje precesirati oko smjera polja (slika 10) s frekvencijom koja ovisi o dipolnom momentu i jakosti primijenjenog polja.
Precesija atoma ne može se izravno promatrati, budući da svi atomi uzorka precesiraju u različitim fazama. Ako se pak primijeni malo izmjenično polje usmjereno okomito na polje konstantnog uređenja, tada se između precesirajućih atoma uspostavlja određeni fazni odnos, a njihov ukupni magnetski moment počinje precesirati frekvencijom jednakom frekvenciji precesije pojedinačnih atoma. magnetski momenti. Važnost ima kutnu brzinu precesije. U pravilu je ta vrijednost reda veličine 1010 Hz/T za magnetizaciju povezanu s elektronima, a reda veličine 107 Hz/T za magnetizaciju povezanu s pozitivnim nabojem u jezgrama atoma. kružni dijagram Instalacija za promatranje nuklearne magnetske rezonancije (NMR) prikazana je na sl. 11. Tvar koja se proučava uvodi se u uniformno konstantno polje između polova. Ako se RF polje zatim pobudi malom zavojnicom oko epruvete, može se postići rezonancija na određenoj frekvenciji, jednakoj frekvenciji precesije svih nuklearnih "žiroskopa" uzorka. Mjerenja su slična ugađanju radijskog prijamnika na frekvenciju određene postaje.
Metode magnetske rezonancije omogućuju proučavanje ne samo magnetskih svojstava specifičnih atoma i jezgri, već i svojstava njihove okoline. Radi se o tome da su magnetska polja u krutim tijelima i molekulama nehomogena, budući da su iskrivljena atomskim nabojima, a detalji tijeka eksperimentalne krivulje rezonancije određeni su lokalnim poljem u području gdje se nalazi precesirajuća jezgra. To omogućuje proučavanje značajki strukture određenog uzorka rezonantnim metodama.
Proračun magnetskih svojstava. Magnetska indukcija Zemljinog polja je 0,5 * 10 -4 T, dok je polje između polova jakog elektromagneta reda veličine 2 T ili više. Magnetsko polje stvoreno bilo kojom konfiguracijom struja može se izračunati korištenjem Biot-Savart-Laplaceove formule za magnetsku indukciju polja stvorenog strujnim elementom. Proračun polja stvorenog konturama različitih oblika i cilindričnim zavojnicama u mnogim je slučajevima vrlo kompliciran. Ispod su formule za nekoliko jednostavnih slučajeva. Magnetska indukcija (u teslama) polja koju stvara dugačka ravna žica sa strujom I (amperi), na udaljenosti r (metri) od žice je
Indukcija u središtu kružne petlje radijusa R sa strujom I je (u istim jedinicama):
Čvrsto namotana zavojnica žice bez željezne jezgre naziva se solenoid. Magnetska indukcija koju stvara dugi solenoid s brojem zavoja N u točki dovoljno udaljenoj od njegovih krajeva jednaka je
Ovdje je NI/L broj ampera (amperzavoja) po jedinici duljine solenoida. U svim slučajevima, magnetsko polje struje usmjereno je okomito na ovu struju, a sila koja djeluje na struju u magnetskom polju okomita je i na struju i na magnetsko polje. Polje magnetizirane željezne šipke slično je vanjskom polju dugog solenoida s brojem amper zavoja po jedinici duljine koji odgovara struji u atomima na površini magnetizirane šipke, jer se struje unutar šipke međusobno poništavaju. van (slika 12). Po imenu Ampere, takva površinska struja naziva se Ampere. Jačina magnetskog polja Ha, koju stvara Amperova struja, jednaka je magnetskom momentu jedinice volumena štapa M.
Ako se u solenoid umetne željezna šipka, tada pored činjenice da struja solenoida stvara magnetsko polje H, poredak atomskih dipola u magnetiziranom materijalu šipke stvara magnetizaciju M. U tom slučaju ukupni magnetski tok određena je zbrojem realne i amperske struje, tako da je B = m0(H + Ha), odnosno B = m0(H + M). Omjer M/H naziva se magnetska susceptibilnost i označava se grčkim slovom c; c je bezdimenzijska veličina koja karakterizira sposobnost materijala da se magnetizira u magnetskom polju.
B/H vrijednost koja karakterizira magnetska svojstva
materijala naziva se magnetska propusnost i označava se s ma, gdje je ma = m0m, gdje je ma apsolutna, a m relativna propusnost, m = 1 + c. U feromagnetskim tvarima vrijednost c može imati vrlo velike vrijednosti - do 10 4-10 6. Vrijednost c za paramagnetske materijale nešto je veća od nule, a za dijamagnetske materijale nešto je manja. Samo su u vakuumu iu vrlo slabim poljima veličine c i m konstantne i neovisne o vanjskom polju. Ovisnost indukcije B o H obično je nelinearna, a njeni grafici, tzv. krivulje magnetiziranja, za različitih materijala pa čak i pri različitim temperaturama mogu se značajno razlikovati (primjeri takvih krivulja prikazani su na sl. 2 i 3). Magnetska svojstva tvari vrlo su složena, a temeljito razumijevanje njihove strukture zahtijeva temeljitu analizu strukture atoma, njihovih međudjelovanja u molekulama, njihovih sudara u plinovima i njihovog međusobnog utjecaja u krutim tvarima i tekućinama; magnetska svojstva tekućina još su najmanje proučavana. - polja jakosti N?0,5=1,0 ME (granica je uvjetna). Donja vrijednost S. m. p. odgovara max. vrijednost stacionarnog polja = 500 kOe, kojoj se može pristupiti pomoću modernih. tehnika, gornje polje 1 ME, čak i kratkotrajno. udar u rog ... ... Fizička enciklopedija
Grana fizike koja proučava strukturu i svojstva čvrstih tijela. Znanstveni podaci o mikrostrukturi krutina i o fizikalnim i kemijska svojstva njihovi sastavni atomi nužni su za razvoj novih materijala i tehničkih uređaja. fizika ... ... Collier Encyclopedia
Grana fizike koja pokriva znanje o statična struja, električne struje i magnetske pojave. ELEKTROSTATIKA Elektrostatika se bavi fenomenima povezanim s električnim nabojem u mirovanju. Prisutnost sila koje djeluju između ... ... Collier Encyclopedia
- (od starogrčkog physis nature). Drevni su fizikom nazivali svako proučavanje okolnog svijeta i prirodnih pojava. Ovakvo shvaćanje pojma fizika očuvalo se do kraja 17. stoljeća. Kasnije su se pojavile brojne posebne discipline: kemija, koja proučava svojstva ... ... Collier Encyclopedia
Pojam momenta u odnosu na atome i atomske jezgre može značiti sljedeće: 1) spinski moment, odnosno spin, 2) magnetski dipolni moment, 3) električni kvadrupolni moment, 4) drugi električni i magnetski momenti. Različiti tipovi… … Collier Encyclopedia
Električni analog feromagnetizma. Kao što se u feromagnetskim tvarima, kada se stave u magnetsko polje, pojavljuje rezidualna magnetska polarizacija (moment), u feroelektričnim dielektricima postavljenim u električno polje,… … Collier Encyclopedia
Koristimo kolačiće za najbolju prezentaciju naše stranice. Daljnjim korištenjem ove stranice slažete se s ovim. u redu
Glavne vektorske veličine koje karakteriziraju magnetsko polje su magnetska indukcija B i magnetizacija
Magnetska indukcija B je vektorska veličina određena snažnim učinkom magnetskog polja na struju (vidi pogl. 21).
Magnetizacija J je magnetski moment jedinice volumena tvari.
Osim ove dvije vrijednosti, magnetsko polje karakterizira i jakost magnetskog polja H.
Tri veličine - - su međusobno povezane sljedećim odnosom:
U SI jedinica indukcije B je tesla ili u više jedinica Wb/cm2, au CGSM sustavu - gauss).
Jedinica magnetizacije J i jakosti polja H je amper po metru (A/m), au CGSM sustavu - oersted (E).
Magnetizacija J je vektor za koji se pretpostavlja da se smjer podudara sa smjerom u danoj točki:
Koeficijent i za feromagnetske tvari je funkcija . Zamjenom (14.2) u (14.1) i označavanjem dobivamo
gdje je konstanta koja karakterizira magnetska svojstva vakuuma; - apsolutna magnetska permeabilnost.
U SI Za feromagnetske tvari je funkcija.
Magnetski tok F kroz određenu površinu je tok vektora magnetske indukcije kroz tu površinu:
gdje je površinski element
U SI, jedinica magnetskog toka je weber (Wb); u SGSM - maxwell.
Pri proračunu magnetskih krugova obično se koriste dvije veličine: magnetska indukcija B i jakost magnetskog polja.
Magnetizacija se u izračunima u pravilu ne koristi [ako je potrebno, vrijednost koja odgovara odgovarajućim vrijednostima B i uvijek se može pronaći pomoću formule (14.1)].
Poznato je da se fero- i ferimagnetska tijela sastoje od područja spontane (spontane) magnetizacije. Magnetsko stanje svakog područja karakterizirano je vektorom magnetizacije. Smjer vektora magnetiziranja ovisi o unutarnjim elastičnim naprezanjima i kristalnoj strukturi feromagnetskog tijela.
Vektori magnetizacije pojedinih područja fero (trajektnog) magnetskog tijela, na koja nije djelovalo vanjsko magnetsko polje, jednako su vjerojatno usmjereni u različitim smjerovima. Stoga se u prostoru izvan ovog tijela magnetiziranje tijela ne manifestira. Ako se pak postavi u vanjsko polje R, tada će se pod njegovim utjecajem vektori na magnetizacijama pojedinih područja okretati u skladu s poljem. U tom slučaju indukcija nastalog polja u tijelu može biti višestruko veća od magnetske indukcije vanjskog polja prije nego što se u njega stavi feromagnetsko tijelo.
Brojni pokusi pokazuju da se sve tvari koje se nalaze u magnetskom polju magnetiziraju i stvaraju vlastito magnetsko polje čije se djelovanje pribraja djelovanju vanjskog magnetskog polja:
gdje je magnetska indukcija polja u tvari; - magnetska indukcija polja u vakuumu, - magnetska indukcija polja uslijed magnetiziranja tvari.
U tom slučaju tvar može ojačati ili oslabiti magnetsko polje. Utjecaj tvari na vanjsko magnetsko polje karakterizira vrijednost koja se naziva magnetska permeabilnost tvari
Magnetska propusnost je fizikalna skalarna vrijednost koja pokazuje koliko se puta indukcija magnetskog polja u određenoj tvari razlikuje od indukcije magnetskog polja u vakuumu.
Tvari koje oslabljuju vanjsko magnetsko polje nazivaju se dijamagneti(bizmut, dušik, helij, ugljikov dioksid, voda, srebro, zlato, cink, kadmij itd.).
Tvari koje pojačavaju vanjsko magnetsko polje - paramagneti(aluminij, kisik, platina, bakar, kalcij, krom, mangan, kobaltove soli itd.).
Za dijamagnete >1. Ali u oba slučaja razlika od 1 je mala (nekoliko desettisućinki ili stotisućinki jedinice). Tako, na primjer, bizmut = 0,9998 = 1,000.
Neke tvari (željezo, kobalt, nikal, gadolinij i razne legure) uzrokuju vrlo veliko povećanje vanjskog polja. Zovu se feromagneti. Za njih = 10 3 -10 5 .
Ampère je prvi put dao objašnjenje razloga zbog kojih tijela imaju magnetska svojstva. Prema njegovoj hipotezi, unutar molekula i atoma cirkuliraju elementarne električne struje koje određuju magnetska svojstva bilo koje tvari.
Sada je utvrđeno da svi atomi i elementarne čestice stvarno imaju magnetska svojstva. Magnetska svojstva atoma uglavnom su određena njihovim sastavnim elektronima.
Prema semiklasičnom modelu atoma koji su predložili E. Rutherford i N. Bohr, elektroni u atomima gibaju se oko jezgre u zatvorenim orbitama (u prvoj aproksimaciji možemo pretpostaviti da su kružne). Kretanje elektrona može se prikazati kao elementarna kružna struja, gdje je e naboj elektrona, v je frekvencija rotacije elektrona u orbiti. Ova struja tvori magnetsko polje, koje je karakterizirano magnetskim momentom, njegov modul je određen formulom, gdje je S područje orbite.
Magnetski moment elektrona zbog njegovog gibanja oko jezgre naziva se orbitalni magnetski moment. Orbitalni magnetski moment je vektorska veličina i smjer je određen pravilom desnog vijka. Ako se elektron giba u smjeru kazaljke na satu (slika 1), tada su struje usmjerene suprotno od kazaljke na satu (u smjeru pozitivnog naboja), a vektor je okomit na ravninu orbite.
Budući da se putanje različitih elektrona u atomu ne podudaraju, njihovi magnetski momenti usmjereni su pod različitim kutovima jedan prema drugome. Rezultirajući orbitalni magnetski moment atoma s više elektrona jednak je vektorskom zbroju orbitalnih magnetskih momenata pojedinačnih elektrona.
Atomi s djelomično ispunjenim elektronskim ljuskama imaju nekompenzirani orbitalni magnetski moment. U atomima s ispunjenim elektronskim ljuskama, jednak je 0.
Osim orbitalnog magnetskog momenta elektron ima i vlastiti (spin) magnetski moment, koji su prvi ustanovili O. Stern i V. Gerlach 1922. Postojanje magnetskog polja u elektronu objašnjeno je njegovom rotacijom oko vlastite osi, iako ne treba doslovno uspoređivati elektron s rotirajućom nabijenom kuglicom (vrh ).
Pouzdano je utvrđeno da je magnetsko polje elektrona isto integralno svojstvo kao njegova masa i naboj. Elektron se, u vrlo gruboj aproksimaciji, može prikazati kao vrlo mala kuglica okružena električnim i magnetskim poljima (slika 2). Magnetska polja svih elektrona su ista, kao i njihove mase i naboji. Magnetski moment spina je vektor usmjeren duž osi rotacije. Može se orijentirati samo na dva načina: ili uz... ili protiv... Ako na mjestu gdje se nalazi elektron postoji vanjsko magnetsko polje, onda ili uz polje ili protiv polja. Kao što je prikazano u kvantnoj fizici, u ist energetsko stanje mogu postojati samo dva elektrona čiji su spinski magnetski momenti suprotni (Paulijev princip).
U višeelektronskim atomima, spinski magnetski momenti pojedinačnih elektrona, kao i orbitalni momenti, zbrajaju se kao vektori. U ovom slučaju, rezultirajući spinski magnetski moment atoma za atome s ispunjenim elektronskim ljuskama je 0.
Ukupni magnetski moment atoma (molekule) jednak je vektorskom zbroju magnetskih momenata (orbitalnih i spinskih) elektrona koji ulaze u atom (molekulu):
Dijamagneti se sastoje od atoma koji, u nedostatku vanjskog magnetskog polja, nemaju svoje magnetske momente, budući da su svi spinski i svi orbitalni magnetski momenti kompenzirani za njih.
Vanjsko magnetsko polje ne djeluje na cijeli atom dijamagneta, već djeluje na pojedine elektrone atoma, čiji su magnetski momenti različiti od nule. Pustiti unutra ovaj trenutak brzina elektrona čini određeni kut (slika 3) s magnetskom indukcijom vanjskog polja.
Zbog komponente na elektron će djelovati Lorentzova sila (usmjerena prema nama na sl. 3.) koja će izazvati dodatno (osim ostalih gibanja u kojima elektron sudjeluje u odsutnosti polja) kružno kretanje. Ali ovo kretanje je dodatna kružna struja, koja će stvoriti magnetsko polje, karakterizirano magnetskim momentom (induciranim), usmjerenim prema pravilu desnog vijka prema. Kao rezultat toga, dijamagneti slabe vanjsko magnetsko polje.
Paramagneti se sastoje od atoma koji imaju neto magnetski moment atoma. U nedostatku vanjskog polja ti su momenti nasumično usmjereni i tvar kao cjelina ne stvara magnetsko polje oko sebe. Kada se paramagneti stave u magnetsko polje, prevladavajući usmjerenost vektora duž polja (to sprječava toplinsko gibanje čestica). Dakle, paramagnet je magnetiziran, stvarajući vlastito magnetsko polje, koje se podudara u smjeru s vanjskim poljem i pojačava ga. Taj se učinak naziva paramagnetskim. Kada vanjsko magnetsko polje oslabi na nulu, orijentacija magnetskih momenata je narušena zbog toplinskog gibanja i paramagnet se demagnetizira. Kod paramagneta se također uočava dijamagnetski učinak, ali je on mnogo slabiji od paramagnetskog.
Tvari stavljene u MP ponašaju se drugačije. Brojni materijali, kao što su zlato, srebro, bakar, cink itd., blago oslabljuju magnetsko polje unutar tvari. Zovu se dijamagneti. Platina, magnezij, aluminij, krom, paladij, alkalijski metali, kisik itd., naprotiv, blago povećavaju magnetsko polje. Zovu se paramagneti.
Tvari kod kojih vlastito (unutarnje) MF može stotine i tisuće puta premašiti vanjsko MF koje ga je uzrokovalo nazivamo feromagnetima. To uključuje željezo (Fe) kobalt (Co), nikal (№), neki elementi rijetkih zemalja, kao i legure na bazi ovih elemenata.
U elektrotehnici je uobičajeno sve tvari dijeliti na magnetske (feromagneti) i nemagnetske (dijamagneti i paramagneti).
Budući da magnetsko polje u nemagnetskim materijalima ostaje gotovo nepromijenjeno pod djelovanjem vanjskog magnetskog polja, feromagneti su od posebnog interesa.
Feromagnetizam je posljedica prisutnosti u tvari magnetiziranih područja - domena u kojima magnetski momenti atoma imaju isti smjer. U principu, svaka domena je mali magnet.
Feromagnet se sastoji od velikog broja domena, koje su u nedostatku vanjskog magnetskog polja usmjerene na proizvoljan način, tako da feromagnet ostaje nemagnetičan. Kada se feromagnet postavi u vanjsko MF, domene se počinju orijentirati u smjeru linija sile vanjskog MF. S daljnjim povećanjem intenziteta vanjskog MF-a, sve domene se uspostavljaju duž MF linija sile. Dolazi do magnetskog zasićenja i magnetizacija se gotovo ne povećava. Ako sada smanjimo intenzitet vanjskog MF-a na nulu, tada će orijentacija domena biti samo djelomično narušena, pa se magnetizacija feromagneta smanjuje, ali ne na nulu. Da bi se uništila zaostala magnetizacija uzorka, potrebno je primijeniti vanjsko magnetsko polje u suprotnom smjeru. Intenzitet takve MF naziva se koercitivna sila N s. Za svaki feromagnet postoji temperatura iznad koje njegova feromagnetska svojstva nestaju. Naziva se Curiejeva točka. Za željezo je Curiejeva točka 768 °C, za nikal - 358 °C, a za kobalt - 1120 °C.
Za izračunavanje MF indukcije NA u feromagnetu se koristi izraz koji uzima u obzir sposobnost magnetiziranja materijala, B =|d 0 | l g H = |ja n, gdje H- napetost vanjskog MF; x r- relativna magnetska propusnost materijala; |i a - apsolutna magnetska permeabilnost materijala.
Uzimaju se u obzir svojstva feromagnetika koji se magnetiziraju |g (., dakle, za feromagnetike » 1, dok je za nemagnetske materijale Z,. = 1.
Glavne karakteristike feromagneta su krivulja magnetiziranja H(H) i petlja histereze (slika 6.5, a). Da bi se dobila petlja histereze, potrebno je glatko povećavati H od nule do /Y 1mx, a zatim smanji od H prije -N
Nakon niza ciklusa magnetiziranja dobiva se zatvorena krivulja koja se naziva histerezna petlja. Za različite vrijednosti /Ymax, dobiva se obitelj petlji histereze (slika 6.5.6). Ako veličina MF jakosti premaši vrijednost pri kojoj dolazi do magnetskog zasićenja, tj. /U||gah> H s , tada se dimenzije petlje više ne povećavaju, rastu samo dijelovi bez histereze (1-2 i 5-6 na slici 6.5, a). Takva se petlja naziva petlja granične histereze.
Riža. 6.5. Krivulje magnetizacije feromagneta: a - histerezna petlja; b - parcijalni i granični ciklusi
Magnetiziranje feromagnetskog materijala, prvo postavljenog u MP, provodi se duž linije 0-1. Točke 8 i 4 petlje granične histereze odgovaraju koercitivnoj sili //.(-//.), a točke 3 i 7 daju vrijednosti rezidualne indukcije V g (~V G).
Povezivanjem vrhova u obitelji svih krivulja histereze, dobivamo glavnu krivulju magnetizacije feromagneta. Ova se krivulja uglavnom koristi u tehničkim proračunima i gotovo se podudara s izvornom krivuljom magnetizacije 0-1 (vidi sl. 6.5a). Radi praktičnosti, daje se samo za pozitivne vrijednosti.
Riža. 6.6.
1 - magnetski mekan; 2 - magnetski tvrd
Na sl. 6.6 prikazuje petlje histereze za različite magnetske materijale. Ovisno o vrijednosti koercitivne sile, svi magnetski materijali se obično dijele na magnetski meke (krivulja 1) i magnetski tvrde (krivulja 2).
Magnetski mekan materijali imaju nisku koercitivnu silu i relativno usku petlju histereze. Ova skupina uključuje elektrotehnički čelik, permaloje, ferite. Ovi materijali se koriste u električnim uređajima, kao što su električni automobili, transformatori, električni uređaji itd.
Magnetski tvrdi materijali imaju veliku koercitivnu silu i široku petlju histereze. Budući da su magnetizirani, zadržavaju svoju magnetizaciju čak i nakon uklanjanja polja magnetiziranja. Od takvih materijala izrađuju se trajni magneti koji se široko koriste u raznim uređajima.
Magnetizacija materije. Permanentni magneti mogu se načiniti od relativno malo tvari, ali sve tvari koje se stave u magnetsko polje se magnetiziraju, odnosno same postaju izvori magnetskog polja. Zbog toga se vektor magnetske indukcije u prisutnosti tvari razlikuje od vektora magnetske indukcije u vakuumu.
Amperova hipoteza. Razlog zašto tijela imaju magnetska svojstva utvrdio je francuski znanstvenik Ampère. Prvo, pod izravnim dojmom promatranja magnetske igle koja se okreće blizu vodiča kroz koji teče struja u Oerstedovim eksperimentima, Lmier je sugerirao da je Zemljin magnetizam uzrokovan strujama koje prolaze unutar globus. Glavni korak je napravljen: magnetska svojstva tijela mogu se objasniti strujama koje kruže unutar njega. Nadalje, Ampère je došao do općeg zaključka: magnetska svojstva svakog tijela određena su zatvorenim električnim strujama unutar njega. Ovaj odlučujući korak od mogućnosti objašnjenja magnetskih svojstava tijela strujama do kategoričke tvrdnje da su magnetske interakcije interakcije struja dokaz je velike Ampèreove znanstvene hrabrosti.
Prema Ampèreovoj hipotezi, elementarne električne struje kolaju unutar molekula i atoma. (Sada dobro znamo da te struje nastaju zbog kretanja elektrona u atomima.) Ako su ravnine u kojima te struje cirkuliraju smještene nasumično jedna u odnosu na drugu zbog toplinskog kretanja molekula (Sl. 1.28, a) , tada su njihova djelovanja međusobno kompenzirana, a tijelo ne pokazuje nikakva magnetska svojstva. U magnetiziranom stanju, elementarne struje u tijelu su usmjerene tako da se njihova djelovanja zbrajaju (slika 1.28, b).
Ampereova hipoteza objašnjava zašto se magnetska igla i okvir (strujni krug) s strujom u magnetskom polju ponašaju na isti način (vidi § 2). Strelica se može promatrati kao zbirka malih strujnih strujnih krugova orijentiranih na isti način.
Najjača magnetska polja stvaraju tvari koje se nazivaju feromagneti. Magnetska polja stvaraju feromagneti ne samo zbog kruženja elektrona oko jezgri, već i zbog vlastite rotacije.
Intrinzični moment (moment) elektrona naziva se spin. Čini se da se elektroni uvijek okreću oko svoje osi i, imajući naboj, stvaraju magnetsko polje zajedno s poljem koje nastaje zbog njihovog orbitalnog gibanja oko jezgri. U feromagnetima postoje područja s paralelnim usmjerenjem spina koja se zovu domene; veličine domene su oko 0,5 μm. Paralelna orijentacija spinova osigurava minimalnu potencijalnu energiju. Ako feromagnet nije magnetiziran, tada je orijentacija domena kaotična, a ukupno magnetsko polje koje stvaraju domene je nula. Kada je uključeno vanjsko magnetsko polje, domene su usmjerene duž linija magnetske indukcije tog polja, a indukcija magnetskog polja u feromagnetima raste, postajući tisuće, pa čak i milijune puta veća od indukcije vanjskog polja.
Curiejeva temperatura. Na temperaturama višim od nekih specifičnih za određeni feromagnet, njegova feromagnetska svojstva nestaju. Ta se temperatura naziva Curiejeva temperatura prema francuskom znanstveniku koji je otkrio ovaj fenomen. Ako dovoljno jako zagrijete magnetizirani čavao, on će izgubiti sposobnost privlačenja željeznih predmeta na sebe. Curiejeva temperatura za željezo je 753°C, za nikal 365°C, a za kobalt 1000°C. Postoje feromagnetske legure čija je Curiejeva temperatura niža od 100 °C.
Prva detaljna istraživanja magnetskih svojstava feromagneta proveo je izvrsni ruski fizičar A. G. Stoletov (1839.-1896.).
Feromagneti i njihova primjena. Iako u prirodi nema toliko feromagnetskih tijela, najveću praktičnu primjenu dobila su njihova magnetska svojstva. Željezna ili čelična jezgra u zavojnici višestruko pojačava magnetsko polje koje stvara bez povećanja struje u zavojnici. Time se štedi električna energija. Od feromagneta se izrađuju jezgre transformatora, generatora, elektromotora itd.
Kada se vanjsko magnetsko polje isključi, feromagnet ostaje magnetiziran, odnosno stvara magnetsko polje u okolnom prostoru. To je zbog činjenice da se domene ne vraćaju u prijašnji položaj i da je njihova orijentacija djelomično očuvana. Zbog toga postoje trajni magneti.
Trajni magneti imaju široku primjenu u električnim mjernim instrumentima, zvučnicima i telefonima, snimačima zvuka, magnetski kompasi itd.
Feriti su feromagnetski materijali koji ne provode električnu struju. Oni predstavljaju kemijski spojeviželjezni oksidi s oksidima drugih tvari. Jedan od poznatih feromagnetskih materijala - magnetska željezna ruda - je ferit.
Magnetski zapis informacija. Feromagneti se koriste za izradu magnetskih vrpci i tankih magnetskih filmova. Magnetske vrpce naširoko se koriste za snimanje zvuka u magnetofonima i za video snimanje u videorekorderima.
Magnetska traka je fleksibilna podloga od PVC-a ili drugih materijala. Na njega se nanosi radni sloj u obliku magnetskog laka, koji se sastoji od vrlo malih igličastih čestica željeza ili drugog feromagneta i veziva.
Zvuk se snima na vrpcu pomoću elektromagneta, čije se magnetsko polje mijenja u vremenu sa zvučnim vibracijama. Kada se vrpca pomiče u blizini magnetske glave, različiti dijelovi filma se magnetiziraju. Dijagram glave magnetske indukcije prikazan je na slici 1.29, a, gdje je 1 jezgra elektromagneta; 2 - magnetska vrpca; 3 - radni jaz; 4 - namot elektromagneta.
Pri reprodukciji zvuka opaža se suprotan proces: magnetizirana vrpca pobuđuje električne signale u magnetskoj glavi, koji se nakon pojačanja dovode do zvučnika magnetofona.
Tanki magnetski filmovi sastoje se od sloja feromagnetskog materijala debljine od 0,03 do 10 µm.
Koriste se u uređajima za pohranu elektroničkih računala (računala). Magnetske trake su dizajnirane za snimanje, pohranjivanje i reprodukciju informacija. Nanose se na tanki aluminijski disk ili bubanj. Informacije se snimaju i reproduciraju na gotovo isti način kao u konvencionalnom magnetofonu. Snimanje informacija u računalo može se vršiti i na magnetske vrpce.
Razvoj tehnologije magnetskog snimanja doveo je do pojave magnetskih mikroglava, koje se koriste u računalima, omogućujući vam stvaranje prethodno nezamislive gustoće magnetskog snimanja. Feromagnetski tvrdi disk promjera manjeg od 8 cm pohranjuje do nekoliko terabajta (10 12 bajtova) informacija. Čitanje i pisanje informacija na takav disk provodi se pomoću mikroglave koja se nalazi na rotirajućoj poluzi (Sl. 1.29, b). Sam disk se vrti ogromnom brzinom, a glava lebdi iznad njega u struji zraka, čime se sprječava mogućnost mehanička oštećenja disk.
Sve tvari koje se nalaze u magnetskom polju stvaraju vlastito polje. Najjača polja stvaraju feromagneti. Od njih se izrađuju trajni magneti, budući da polje feromagneta ne nestaje nakon isključivanja polja magnetiziranja. Feromagneti imaju široku primjenu u praksi.
1. Koje se tvari nazivaju feromagnetima!
2. U koje se svrhe koriste feromagnetski materijali!
3. Kako se bilježe informacije u računalu!