Svojstva feromagnetskih materijala i njihova primjena u tehnici
Oko žice s električnom strujom, čak iu vakuumu, postoji magnetsko polje… A ako se tvar uvede u ovo polje, tada će se magnetsko polje promijeniti, budući da je svaka tvar u magnetskom polju magnetizirana, to jest, dobiva veći ili manji magnetski moment, definiran kao zbroj elementarnih magnetskih momenata povezanih s dijelova koji čine tu tvar.
Bit fenomena leži u činjenici da molekule mnogih tvari imaju svoje magnetske momente, jer se unutar molekula kreću naboji koji tvore elementarne kružne struje i stoga su popraćeni magnetskim poljima. Ako se na tvar ne primjenjuje vanjsko magnetsko polje, magnetski momenti njezinih molekula nasumično su orijentirani u prostoru, a ukupno magnetsko polje (kao i ukupni magnetski moment molekula) takvog uzorka bit će nula.
Ako se uzorak uvede u vanjsko magnetsko polje, tada će orijentacija elementarnih magnetskih momenata njegovih molekula dobiti preferencijalni smjer pod utjecajem vanjskog polja. Kao rezultat toga, ukupni magnetski moment tvari više neće biti jednak nuli, budući da se magnetska polja pojedinačnih molekula u novim uvjetima međusobno ne kompenziraju. Tako tvar razvija magnetsko polje B.
Ako molekule tvari u početku nemaju magnetske momente (postoje takve tvari), onda kada se takav uzorak uvede u magnetsko polje, u njemu se induciraju kružne struje, odnosno molekule poprimaju magnetske momente, što opet, kao rezultat, dovodi do pojave ukupnog magnetskog polja B.
Većina poznatih tvari je slabo magnetizirana u magnetskom polju, ali postoje i tvari koje se odlikuju jakim magnetskim svojstvima, tzv. feromagneti… Primjeri feromagneta: željezo, kobalt, nikal i njihove legure.
Feromagneti uključuju čvrste tvari koje pri niskim temperaturama imaju spontanu (spontanu) magnetizaciju koja značajno varira pod utjecajem vanjskog magnetskog polja, mehaničke deformacije ili promjene temperature. Ovako se ponašaju čelik i željezo, nikal i kobalt i legure. Njihova je magnetska propusnost tisućama puta veća od vakuuma.
Iz tog razloga, u elektrotehnici, za provođenje magnetskog toka i pretvaranje energije, tradicionalno se koristi magnetske jezgre od feromagnetskih materijala.
U takvim tvarima magnetska svojstva ovise o magnetskim svojstvima elementarnih nositelja magnetizma - elektroni koji se kreću unutar atoma… Naravno, elektroni koji se kreću po orbitama u atomima oko svojih jezgri tvore kružne struje (magnetske dipole). Ali u ovom slučaju, elektroni također rotiraju oko svojih osi, stvarajući spinske magnetske momente, koji jednostavno igraju glavnu ulogu u magnetizaciji feromagneta.
Feromagnetska svojstva se očituju samo kada je tvar u kristalnom stanju. Osim toga, ta su svojstva jako ovisna o temperaturi, budući da toplinsko gibanje sprječava stabilnu orijentaciju elementarnih magnetskih momenata. Dakle, za svaki feromagnet određena je određena temperatura (Curiejeva točka) na kojoj dolazi do razaranja strukture magnetizacije i tvari postaje paramagnet. Na primjer, za željezo je 900 ° C.
Čak iu slabim magnetskim poljima feromagneti se mogu magnetizirati do zasićenja. Nadalje, njihova magnetska propusnost ovisi o veličini primijenjenog vanjskog magnetskog polja.
Na početku procesa magnetiziranja magnetska indukcija B postaje jači u feromagnetiku, što znači magnetska permeabilnost super je. Ali kada dođe do zasićenja, daljnjim povećanjem magnetske indukcije vanjskog polja više ne dolazi do povećanja magnetskog polja feromagneta, pa je stoga magnetska permeabilnost uzorka smanjena, sada teži 1.
Važno svojstvo feromagneta je ostatak… Pretpostavimo da je feromagnetska šipka postavljena u zavojnicu i povećanjem struje u zavojnici dovedena je u zasićenje. Zatim je struja u zavojnici isključena, odnosno uklonjeno je magnetsko polje zavojnice.
Moći će se primijetiti da štap nije demagnetiziran u stanje u kojem je bio na početku, njegovo magnetsko polje će biti veće, odnosno postojat će zaostala indukcija. Šipka se na taj način okretala na permanentni magnet.
Da bi se takva šipka demagnetizirala, bit će potrebno na nju primijeniti vanjsko magnetsko polje suprotnog smjera i s indukcijom jednakom rezidualnoj indukciji. Vrijednost modula indukcije magnetskog polja koji se mora primijeniti na magnetizirani feromagnet (permanentni magnet) da bi se demagnetizirao naziva se prisilna sila.
Krivulje magnetizacije (petlje histereze) za različite feromagnetske materijale se međusobno razlikuju.
Neki materijali imaju široke petlje histereze — to su materijali s visokom zaostalom magnetizacijom, nazivaju se magnetski tvrdi materijali. Tvrdi magnetski materijali koriste se u proizvodnji trajnih magneta.
Naprotiv, meki magnetski materijali imaju usku petlju histereze, nisku zaostalu magnetizaciju i lako se magnetiziraju u slabim poljima. To su meki magnetski materijali koji se koriste kao magnetske jezgre transformatora, statora motora itd.
Feromagneti igraju vrlo važnu ulogu u današnjoj tehnologiji. Meki magnetski materijali (feriti, elektročelik) koriste se u elektromotorima i generatorima, u transformatorima i prigušnicama, kao iu radiotehnici. Feriti se izrađuju od jezgre induktora.
Za izradu trajnih magneta koriste se tvrdi magnetski materijali (feriti barija, kobalta, stroncija, neodima-željezo-bora). Trajni magneti imaju široku primjenu u električnim i akustičkim instrumentima, u motorima i generatorima, u magnetskim kompasima itd.