Magnetyzm jest zbiorem zjawisk fizycznych, w których obiekty wywierają zmusić atrakcyjne lub odpychające do innych materiałów. Prądy elektryczne i momenty magnetyczne podstawowych cząstek elementarnych są źródłem pola magnetycznego, które wytwarza te siły. Na wszystkie materiały wpływa w mniej lub bardziej złożony sposób obecność pola magnetycznego, a stan magnetyczny materiału zależy od jego temperatury (i innych zmiennych, takich jak ciśnienie i zewnętrzne pole magnetyczne), tak że materiał może wykazują różne formy magnetyzmu w zależności od temperatury.
Te magnesy trwałe mają momenty magnetyczne stojących u źródeł ferromagnetyzmu . Jednak większość materiałów nie ma trwałych momentów . Wśród tych ostatnich niektórych przyciąga obecność pola magnetycznego ( paramagnetyzm ); inne są przez nią odpychane ( diamagnetyzm ); jeszcze inne mają znacznie bardziej złożony związek z przyłożonym polem magnetycznym ( antyferromagnetyzm ).
Substancje, na które pola magnetyczne oddziałują w sposób pomijalny, uważa się za substancje niemagnetyczne, zwane niemagnetycznymi .
Od zarania dziejów i przez wieki magnetyzm fascynował ludzi od zawsze. Uważany za jeden z największych cudów natury, był jeszcze w XVII -tego wieku zwanego " labirynt i nieprzenikniona Abyss filozofowie 'przez Atanazy Kircher w swej monumentalnej monografii na magnes . To niezwykłe zjawisko fizyczne jest źródłem zaskakujących rzeczy, takich jak przyciąganie lub odpychanie przedmiotów, a nawet w niektórych przypadkach ich lewitacja. Jednak warunki odkrycia magnetyzmu są nadal nieznane do dziś: nie można zatem powiązać z nim dokładnej daty.
Arystotelesowi przypisuje się coś, co można by nazwać pierwszą „naukową dyskusją” na temat magnetyzmu z Talesem z Miletu , który żył między 625 a 545 rpne. Pne Mniej więcej w tym samym czasie, w starożytnych Indiach, indyjski chirurg Sushruta jako pierwszy wykorzystał kamień lodowy do celów chirurgicznych. Ale pierwszy, któremu naprawdę przypisują odkrycie namagnesowania jest grecki filozof Platon (427 BC- 347 BC ).
Niezwykle trudno jest zlokalizować wynalazek kompasu , niemniej jest to pierwszy obiekt, który pozwolił ludziom oswoić i użyć magnetyzmu, aby ułatwić sobie życie. Europejczyków niniejszego wynalazku znajduje się na końcu XII -tego wieku. Alexander Neckam (1157-1217) napisał „ De naturis rerum ”, w którym wspomina o „ kompasie, który wskazuje północ i prowadzi żeglarzy”. Trubadur Guiot de Provins (1150-1220) skomponował poemat, w którym wspomina także kompas . Jacques de Vitry (1170-1240) opowiada o igle, która dotknięta magnesem pozostaje skierowana w stronę gwiazdy polarnej . To był długi nadana wynalezienia kompasu włoskich Flavio Gioia w 1302 roku, ale historycy wykazały NIEMOŻLIWE XX th century, że fakty te nie były naprawdę uzasadnione. Postawiono wówczas kolejną hipotezę: byłby to Majorczyk o imieniu Raymond Llull (1232-1315), który po raz pierwszy odkryłby siłę stalowej igły dotkniętej magnesem, aby poruszać się na północ, która użyłaby jej do nawigacji.
Dla Chińczyków to odkrycie sięga wcześniejszych czasów. Praca „ Mengxi bitan ” napisana w 1088 r. Przez lekarza Shen Gua (1031–1095) już opisywała igłę skierowaną na południe, gdy została potarta kamieniem magnetycznym .
Wreszcie hipoteza, że Arabowie przywieźli kompas z Chin do Europy drogą nawigacji, została odrzucona. Najprawdopodobniej w rzeczywistości kompas został niezależnie wynaleziony w Europie i Chinach.
W XVI -tego wieku, pierwsze obserwacje doświadczalne prowadzone są przez neapolitański uczony Giambattista della Porta . W Magia naturalis (1589) opisuje swoje eksperymenty fizyczne dotyczące przyciągania żelaza przez kamień magnetyczny, właściwości dwóch biegunów magnesu, działanie pękniętego magnesu. Mniej więcej w tym samym czasie angielski uczony William Gilbert (1544-1603) zajmował się magnetyzmem w znacznie bardziej systematyczny sposób. W swojej pracy De magnete , opublikowanej w 1600 roku , podsumował prawie dwudziestoletnie doświadczenie. Zapowiada, wprowadzając w życie metodę eksperymentalną, naukowca typu Bacona.
Następnie w XVII -tego wieku, fizyk René Descartes (1596-1650) znaki ewolucja w historii magnetyzmu. Jako pierwszy ustanowił fizyczną teorię magnetyzmu w swojej pracy „ Zasady filozofii ” (1644).
Druga połowa XVIII -tego wieku widział narodziny rosnące zainteresowanie zjawisk elektrycznych , jak również początek dążeniu do odkrycia związku między elektryczności i magnetyzmu.
Zaczyna się od włoskiego fizyka i lekarza Luigiego Galvaniego . Ten ostatni bada wpływ prądu elektrycznego na kończyny dolne żab. Jego doświadczenia skłoniły go do opublikowania wyników w badaniu: „ De viribus electricitatis in motu musculari. Commentarius ”w 1791 roku. W swoich badaniach formułuje hipotezę o„ zwierzęcej elektryczności ”wydzielanej przez mózg, która jest wyładowywana poprzez połączenie nerwów i mięśni metalem.
Ta praca zainspirowała wiedeńskiego lekarza Franza Mesmera, który wykorzystał „ zwierzęcy magnetyzm ” do zapewnienia opieki swoim pacjentom. W obliczu popularności tej metody, jakkolwiek kontrowersyjnej, król Ludwik XVI nakazał w 1784 r. Dwóm komisjom złożonym z lekarzy i naukowców ocenić jej rygor naukowy. Komisje te potępiły magnetyzm zwierzęcy ze względu na moralność publiczną. Dlatego właśnie w tym okresie słowo „magnetyzm” nabiera dwóch różnych znaczeń: obecnie odróżniamy magnetyzm zwierzęcy od magnetyzmu fizycznego.
W 1820 r. Po raz pierwszy związek między elektrycznością a magnetyzmem został zademonstrowany przez duńskiego fizyka Hansa Christiana Œrsteda podczas eksperymentu. Fizyk umieszcza kompas pod przewodem, przez który przepuszcza prąd elektryczny. Zauważył w rezultacie, że wskazówka kompasu została ustawiona prostopadle do kierunku, przez który przepływa prąd. Popularny film wyprodukowany przez CNRS pozwala zobaczyć i zrozumieć to doświadczenie. Swoje wyniki opublikował 21 lipca 1820 r. W artykule „ Expermienta circa effectum Conflictus electrici in acum magneticam ”, który zostanie przetłumaczony i rozpowszechniony w całej Europie. W tym samym roku wyniki Œrsted trafiły w ręce francuskich fizyków François Arago i André-Marie Ampère , którzy pospiesznie z powodzeniem powtórzyli eksperyment.
To doświadczenie wyznacza początek „rewolucji elektromagnetycznej ”: lata, które nadejdą po 1820 r., Przyniosą wielkie zmiany zarówno w rozumieniu zjawisk elektromagnetycznych , jak i ich zastosowaniu poprzez nowe wynalazki.
Również w 1820 roku Francuzom Jean-Baptiste Biot i Félix Savartowi udało się matematycznie opisać pole magnetyczne generowane przez rozkład prądów stałych. Prawo Biota-Savarta jest ostoją magneto-Static (badania pól magnetycznych niezależnych od czasu).
W 1821 roku André-Marie Ampère teoretyzował magnetyzm na podstawie istnienia w materiałach przewodzących niezliczonych drobnych cząstek naładowanych elektrycznie i będących w ruchu. W tym samym roku Michael Faraday stworzył pierwszy prymitywny silnik elektryczny , „odwracając” doświadczenie Œrsteda. Umieszcza magnes trwały w łaźni rtęciowej i umieszcza w niej drut przenoszący prąd elektryczny . Nić zaczyna się obracać okrężnie.
W 1825 roku angielski fizyk William Sturgeon stworzył pierwszy praktyczny elektromagnes . Krótko po wynalazku z silnikiem elektrycznym , Michael Faradaya odkryta w 1831 indukcji elektromagnetycznej , pojawienie się siły elektromotorycznej w przewodniku elektrycznym poddanego zmiennego pola magnetycznego . Zjawisko to obecnie stanowi podstawę naszej technologii i znajduje zastosowanie w transformatorach , prądnicach czy nawet alternatorach . Faraday opisał również w 1845 roku paramagnetyzm i diamagnetyzm .
Druga połowa XIX wieku upłynie pod znakiem sformułowania równań Maxwella, opublikowanych w marcu 1861 r. W pracy „ O fizycznych liniach siły ”. W tym badaniu, szkocki fizyk James Clerk Maxwell skupia prace nad magnetyzmu i elektryczności wykonaną przez Michaela Faradaya i André Ampère na zestaw dwudziestu równań, który później zostanie zredukowana do czterech. Te równania opisują zachowanie pola elektromagnetycznego i jego interakcje z materią.
W 1887 roku wynalazca Nikola Tesla wynalazł pierwszy elektryczny silnik indukcyjny , wykorzystując pracę Michaela Faradaya nad silnikiem elektrycznym , indukcją elektromagnetyczną i prądem przemiennym . W 1890 roku szkocki fizyk i inżynier James Alfred Ewing zbadał właściwości magnetyczne metali i odkrył zjawisko histerezy .
Kilka lat później francuski fizyk Pierre Curie z kolei zbadał właściwości magnetyczne materiałów i wykazał, że podatność magnetyczna materiału jest odwrotnie proporcjonalna do jego temperatury. Zaczerpnął z niego prawo Curie w 1895 roku.
Wreszcie w 1898 roku duński inżynier Valdemar Poulsen wynalazł zapis magnetyczny, tworząc urządzenie, które przekształca zmiany pola magnetycznego taśmy w sygnał elektryczny.
To koniec XIX th wieku i na początku XX -tego , że teoretyczne badania materiałów magnetycznych jest rozwiązane pomyślnie. Paul Langevin , inspirowana w szczególności w pracach Pierre'a Curie , używa fizyki statystycznej z Boltzmanna ustalenie klasycznej statystycznej teorii paramagnetyzmu . Określa również pojęcia magnetyzmu indukowanego i trwałego .
Jego teorie antyferromagnetyzm (1936) i ferrimagnetyzm (1948) uzyskał Louis Néel Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w roku 1970. Był to rok po opublikowaniu pierwszego że pierwszy bezsporny antyferromagnetyczne, MnO , została odkryta przez Henri Bizette i Belling Tsai .
Nadejście mechaniki kwantowej , a zwłaszcza odkrycie spinu elektronu w 1925 r. Przez George'a Uhlenbecka i Samuela Goudsmita , miało fundamentalne znaczenie. W istocie pozwoliło to wyjaśnić pochodzenie gigantycznych pól molekularnych obserwowanych w substancjach silnie magnetycznych, których istnienia nie można było wykazać za pomocą jedynego oddziaływania dipolowego między atomowymi momentami magnetycznymi . Werner Heisenberg wykazał w ten sposób w 1929 r., Że pola te były pochodzenia elektrostatycznego i kwantowego oraz że można je interpretować w kategoriach sprzężenia między dwoma sąsiednimi spinami.
Zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego (NMR), oparte na sprzężeniu między momentem magnetycznym jądra atomów a zewnętrznym polem magnetycznym , zostało odkryte przez Felixa Blocha i Edwarda Purcella w 1946 r., Za co w 1972 r. Otrzymali nagrodę Nobla. następnie w latach sześćdziesiątych naukowcy zrozumieli, że NMR może mieć zastosowanie w medycynie, więc pierwszy obraz uzyskany za pomocą rezonansu magnetycznego ( MRI ) został wyprodukowany przez Amerykanina Paula Lauterbura w 1973 roku.
Innym ważnym wnioskiem z XX -tego wieku jest to, że z nadprzewodników , dokonane przez Kamerlingh Onnes w 1911 Nadprzewodnikowe otwarte perspektywy ogromny, ponieważ mogą one korzystać z komponentu magnetyzmu wcześniej zbędne elementy: im lévitation.En 1986 Johannes Georg Bednorz i Karl Müller , odkryć nadprzewodniki w wysoka temperatura krytyczna (powyżej 30 K), zaprzeczająca dotychczas ustalonym teoriom. Ta rodzina materiałów umożliwia przesyłanie znacznie większej ilości energii elektrycznej w znacznie mniejszych kablach, a tym samym sugeruje znaczny postęp w dziedzinie transportu, a nawet nowych technologii . Od pociągów do lewitacji magnetycznej zastosowaniem nadprzewodników są obecnie w eksploatacji i obiecują naszej rewolucji transportowej.
Pole magnetyczne jest wielkością mającą charakter pola wektorowego , to znaczy charakteryzującą się danymi o normie, kierunku i kierunku zdefiniowanym w dowolnym punkcie przestrzeni, umożliwiającą modelowanie i ilościowe określanie efektów magnetycznych prądu elektrycznego lub materiały magnetyczne, takie jak magnesy trwałe .
Można to zaznaczyć za pomocą igły magnetycznej, która następnie przyjmuje określony kierunek. Pole magnetyczne w miejscu zajmowanym przez igłę charakteryzuje się następującymi właściwościami:
Istnieją dwa rodzaje zewnętrznych źródeł pola magnetycznego:
Namagnesowanie jest wielkością wektora , który charakteryzuje skali makroskopowej zachowanie magnetyczne próbki materiału. Jest to suma momentów orbitalnych mikroskopowych i magnetycznych momentów spinu z elektronów i atomów . Jest mierzona w amperach na metr , ale czasami podaje się wartość mierzoną w teslach , jako przepuszczalność próżni .
Pytamy:
jest jakościowo polem magnetycznym, z którego usunięto wkład materii. Na przykład jest wyrażony w amperach na metr .
i są dwoma pokrewnymi polami wektorowymi, których nazwy są źle zdefiniowane. Umowy formalne dać nazwę pola magnetycznego i że od indukcji magnetycznej . W tym artykule będziemy używać zwykłych nazw: będziemy nazywać się polem magnetycznym i wzbudzeniem magnetycznym .
Obecność pola magnetycznego przejawia się pojawieniem się siły działającej na ładunki elektryczne w ruchu (znanej jako siła Lorentza ), a także różnymi efektami oddziałującymi na niektóre materiały, które zostaną szczegółowo omówione w tym artykule ( paramagnetyzm , diamagnetyzm lub ferromagnetyzm w zależności od przypadków). Wielkość, która określa oddziaływanie między materiałem a polem magnetycznym, to podatność magnetyczna , określona przez współczynnik proporcjonalności, zanotowany , podający zależność .
Obecność materiału zmienia pole magnetyczne. Pytamy:
Definiujemy przez z wektorem namagnesowania nabytej przez materiał
Prosimy również:
Kiedy namagnesujemy próbkę materiału do nasycenia i zmniejszamy wzbudzenie H , widzimy, że B również maleje, ale zgodnie z inną krzywą, która znajduje się powyżej pierwszej krzywej. Wynika to z opóźnienia w rozmagnesowaniu. Mówimy, że jest histereza .
Po przywróceniu H do 0 pozostaje pole magnetyczne B r zwane polem remanentnym (z łaciny remanere , pozostające). Aby zlikwidować to remanentne pole, konieczne jest odwrócenie prądu w solenoidzie, czyli narzucenie ujemnej wartości na H. Pole magnetyczne, anulowany wówczas na wartość pobudzenia H c nazwie pole koercji .
Faraday wykazał, że każda substancja jest magnesowalna, ale najczęściej efekt jest odczuwalny tylko w intensywnym polu magnetycznym; umieszczając pręty różnych substancji w nierównomiernym polu magnetycznym:
Substancje, które podlegają działaniu tego samego rodzaju co żelazo, ale o wiele mniej intensywnym, są określane jako paramagnetyczne .
Elektromagnetyczny (cylindryczne uzwojenie) przepływa prąd o natężeniu wytwarza pole magnetyczne zanotowany . Jeśli materiał zostanie umieszczony wewnątrz tego solenoidu, obserwuje się modyfikację modułu wektora pola magnetycznego, co teraz zostanie odnotowane .
Uwaga: w niektórych starych pracach lub niektórych książkach technicznych nazywana jest wektorową indukcją magnetyczną
Diamagnetyzm jest zachowanie materiałów co prowadzi się pod działaniem pola magnetycznego , w celu wygenerowania innego pola magnetycznego odwrotnie, utworzonej przez bardzo niskiej magnetyzacji . Kiedy pole nie jest już przyłożone, namagnesowanie znika. Diamagnetyzm jest zjawiskiem, które pojawia się w całej materii atomowej, ale jest maskowany przez skutki paramagnetyzmu lub ferromagnetyzmu gdy współistnieją ze sobą w materiale.
Klasyczny opis diamagnetyzmuPo przyłożeniu pola magnetycznego zmienia się strumień magnetyczny przechodzący przez powierzchnię opisaną przez zamkniętą trajektorię elektronu. Elektron reaguje zgodnie z klasycznym zjawiskiem indukcji , które indukuje przeciwny moment magnetyczny i proporcjonalny do przyłożonego pola. Stąd bierze się diamagnetyzm, który jest zjawiskiem występującym we wszystkich materiałach, ale może być maskowane przez inne zjawiska (w szczególności paramagnetyczne), których efekt jest ważniejszy.
Limit klasycznego opisuTen opis ma swoje ograniczenia. Rzeczywiście, należało przypuszczać, że promień orbity elektronu jest stały; w przeciwnym razie obliczenia dałyby zerową odpowiedź magnetyczną.
Nie można więc zignorować kwantowego aspektu tego zjawiska: w 1919 roku w swojej rozprawie doktorskiej JH van Leeuwen udowodnił, że niemożliwe jest wyjaśnienie magnetyzmu jedynie za pomocą elektrodynamiki Maxwella i klasycznej mechaniki statystycznej. Na tym polega istota twierdzenia Bohra-van Leeuwena .
Kwantowy opis diamagnetyzmuUwaga: termin doskonały diamagnetyzm jest używany do określenia zachowania nadprzewodników, które wytwarzają w nich indukowane prądy powierzchniowe, które przeciwstawiają się wszelkim zmianom pola magnetycznego i utrzymują zerowe wewnętrzne pole magnetyczne dla nadprzewodników typu I. służy do wytworzenia lewitacji magnetycznej z nadprzewodnikami ( typ II).
Paramagnetyzm oznacza zachowanie magnetyzm materiału nośnika, który nie ma żadnej z magnetyzacji spontanicznych ale które, pod wpływem pola magnetycznego na zewnątrz, uzyskuje magnesowanie skierowane w tym samym kierunku, jak na polu wzbudzenia. Dlatego materiał paramagnetyczny ma podatność magnetyczną o wartości dodatniej (w przeciwieństwie do materiałów diamagnetycznych ), która jest na ogół dość niska. To namagnesowanie zanika po odcięciu pola wzbudzenia, więc nie ma zjawiska histerezy jak dla ferromagnetyzmu .
Paramagnetyzm nie oznacza wewnętrznej właściwości materiału, ale zachowanie w odpowiedzi na pole magnetyczne, które może się zmieniać w zależności od rozważanych warunków. W ten sposób materiał ferromagnetyczny staje się paramagnetyczny, gdy jego temperatura przekracza temperaturę Curie .
W skali mikroskopowej materiał paramagnetyczny można opisać jako zbiór niezależnych dipoli magnetycznych. Odpowiedź układu na przyłożone pole magnetyczne jest następnie określana przez stosunek sił między energią magnetyczną z jednej strony, która ma tendencję do porządkowania dipoli przez ustawienie ich zgodnie z przyłożonym polem, a energią mieszania termicznego innej części, która promuje nieporządek. Ujęcie tego problemu przez fizykę statystyczną pozwala wykazać prawo Curie, które stwierdza, że podatność magnetyczna materiału paramagnetycznego jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury.
Klasyczny opis paramagnetyzmuKiedy atomy mają swój własny stały moment magnetyczny , diamagnetyzm (zawsze obecny) jest maskowany przez paramagnetyzm. Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego atomy te, małe magnesy trwałe, orientują się zgodnie z przyłożonym polem i wzmacniają je. Zjawisko to jest ograniczone przez mieszanie cieplnej i silnie zależy od temperatury ( prawo Curie : )
Limit klasycznego opisuZałożono, że momenty magnetyczne mają stałą normę, podczas gdy mechanika klasyczna dopuszcza wszystkie momenty, ponieważ ponownie znaleźlibyśmy nieistniejącą odpowiedź magnetyczną. Powyższe rozumowanie jest zatem półklasyczne i należy je uzupełnić rozumowaniem kwantowym.
Kwantowy opis paramagnetyzmuMateriały ferromagnetyczne to ciała, które mogą namagnesować się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego i zachować to namagnesowanie . Różnią się one od paramagnetyków, które nie zachowują namagnesowania przy zerowym polu. Istnieją dwie podkategorie, a mianowicie ferromagnetyki twarde (które są używane do wytwarzania magnesów trwałych) i miękkie ferromagnetyki. Materiały te są powszechnie używane w świecie przemysłu, a także w życiu codziennym. Najpopularniejszym zastosowaniem jest „magnes”, który jest magnesem trwałym (twardym ferromagnetycznym), który gromadzi się w lodówce. Remanentne namagnesowanie wynika z porządku w skali mikroskopowej (określonej przez oddziaływanie wymiany Heisenberga) i porządku w skali materialnej ( ściana Blocha , domena Weissa ).
Rzeczywiście, gdy materiał jest ferromagnetyczny lub ferrimagnetyczny, dzieli się go na domeny, zwane domenami Weissa , w których orientacja magnetyczna jest identyczna. Każda domena zachowuje się wtedy jak magnes. Obszary te są oddzielone ścianami zwanymi ścianami Blocha .
Anizotropii magnetycznej wyjaśnić osie magnetyzacji łatwe.
Do zastosowań przemysłowych najczęściej używanymi materiałami ferromagnetycznymi są żelazo , kobalt i nikiel . Ponadto niektóre metale ziem rzadkich ( lantanowce w układzie okresowym ) są również ferromagnetyczne w niskich temperaturach i są wykorzystywane w przemyśle.
W przypadku stopów sytuacja jest bardzo złożona: niektóre stopy żelaza i niklu nie są ferromagnetyczne (np. Austenityczna stal nierdzewna), natomiast stop Heuslera składający się wyłącznie z metali nieferromagnetycznych (61% Cu, 24% Mn, 15% Al ), jest ferromagnetyczny.
Na koniec musimy dodać ferryty , których skład ma postać (MO; Fe 2 O 3 ), gdzie M jest metalem dwuwartościowym, a którego najstarszym przedstawicielem jest magnetyt Fe 3 O 4 (FeO; Fe 2 O 3 ).
Zacznijmy od namagnesowania zerowego przy zerowym polu. Słabo zwiększając pole zewnętrzne, momenty magnetyczne w niektórych obszarach będą się obracać. Jeśli domena jest już wyrównana w kierunku zastosowanego pola, sąsiednie domeny będą stopniowo wyrównywać. Sprowadza się to do stwierdzenia, że ściana Blocha została przesunięta. Ten mechanizm jest odwracalny dla niskiego pola. Staje się nieodwracalne dla przeciętnych pól zewnętrznych. Wreszcie, w przypadku silnych wzbudzeń magnetycznych, następuje rotacja magnetyzacji domen w kierunku pola zewnętrznego. Makroskopowo osiągnięto M sat .
Namagnesowanie materii pochłania energię, która jest tylko częściowo przywracana podczas rozmagnesowania. Ta energia jest rozpraszana w postaci kalorycznej: materiał nagrzewa się. Pokazano, że straty histerezy są proporcjonalne do obszaru cyklu histerezy.
W przypadku, gdy substancja ferromagnetyczna musi opisywać dużą liczbę cykli histerezy (maszyny wirujące, transformatory itp.), Materiały należy dobrać tak, aby obszar cyklu był jak najmniejszy. Mówi się, że materiały te są magnetycznie „miękkie”. "
Z drugiej strony to dzięki wysokiej histerezie możemy uzyskać magnesy trwałe. Do ich produkcji używa się materiałów magnetycznie twardych: odpowiednie są niektóre stale aluminiowe, niklowe lub kobaltowe. Magnesy są również wykonane z proszku żelaza aglomerowanego w izolatorze.
Miękkie materiały magnetyczneMiękkie materiały ferromagnetyczne stanowią podgrupę materiałów ferromagnetycznych, co oznacza, że są w stanie namagnesować pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Osobliwością miękkich materiałów ferromagnetycznych jest to, że działanie powodujące lub anulujące namagnesowanie w materiale wymaga mniej energii niż w przypadku twardych materiałów ferromagnetycznych. Miękkie ferromagnetyki są stosowane w transformatorach, elektromagnesach lub w innych zastosowaniach, w których materiał pracuje z wysoką częstotliwością. Mają bardzo słabe pole koercji z bardzo dużą podatnością . To właśnie ta silna podatność umożliwia uzyskanie silnej indukcji ze słabego pola zewnętrznego i tym samym jest przydatna w elektromagnesach lub w kanalizowaniu linii pola. Słabe pole koercji i silna podatność prowadzą do zawężenia cyklu histerezy . Obszar tego cyklu reprezentuje energię rozpraszaną w postaci ciepła podczas pełnego przebiegu cyklu, zwaną „stratami magnetycznymi”.
Z miękkich materiałów magnetycznych wykonuje się elektromagnesy (ich namagnesowanie musi dać się łatwo skasować) lub obwody magnetyczne pracujące w trybie przemiennym (maszyny elektryczne, transformatory).
Twarde materiały magnetyczneTwarde materiały ferromagnetyczne stanowią podgrupę materiałów ferromagnetycznych. Mają naturalną magnetyzację obecną przy braku zewnętrznego pola magnetycznego, a także silne pole koercyjne i remanencję . Podobnie jak w przypadku innych materiałów ferromagnetycznych, twarde ferromagnetyki charakteryzują się silnym magnesowaniem w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. Twarde ferromagnetyki różnią się od miękkich ferromagnetyków swoimi właściwościami magnetycznymi, takimi jak kształt ich cyklu histerezy. Cykl histerezy miękkich ferromagnetyków jest drobny i wydłużony w górę, podczas gdy w przypadku twardych ferromagnetyków jest spłaszczony i wydłużony na osi x. Podstawą magnesów trwałych, a zwłaszcza magnesów dużej mocy, są twarde materiały ferromagnetyczne.
W przeciwieństwie do poprzednich cykle są niezwykle duże: kilkaset kA m −1 . Nie można ich narysować w tym samym układzie współrzędnych, co poprzednie.
Niektóre z tych materiałów na bazie metali ziem rzadkich ( stopy samaru- kobaltu lub neodymu- żelaza- boru ) nie rozmagnesowują się, nawet gdy wewnętrzne pole magnetyczne jest zniesione (wzbudzenie wynosi wtedy H cB ). Aby anulować (w rzeczywistości odwrócić) namagnesowanie, konieczne jest zapewnienie wzbudzenia magnetycznego zwanego H cM : nieodwracalne wzbudzenie rozmagnesowania.
Zastosowanie tych materiałów to produkcja bardzo silnych magnesów trwałych . Do cieczy ferromagnetycznych są zawiesiny cząstek magnetycznych o wielkości rzędu nanometrów w cieczy. Ciecze te reagują na zewnętrzne pole magnetyczne (na przykład ich powierzchnia jest pokryta kolcami).
Aby uzyskać materiał o dużym polu koercji, konieczne jest ograniczenie zarodkowania i / lub propagacji ścian, u źródła odwrócenia namagnesowania. Im łatwiej odwraca się namagnesowanie, tym słabsze jest koercyjne pole materiału i tym więcej jest domen magnetycznych. Wady strukturalne działają jak miejsca zarodkowania. Aby uniknąć tego zjawiska, materiał można podzielić na kilka części izolowanych magnetycznie. Dlatego odwrócenie namagnesowania spowodowanego defektem pozostaje zlokalizowane i nie powoduje efektu odwróconej kaskady w materiale. Techniką najczęściej stosowaną do uzyskania takiej mikrostruktury jest metalurgia proszków.
Domeny WeissaKiedy materiał jest ferromagnetyczny lub ferrimagnetyczny, dzieli się go na domeny, zwane domenami Weissa , w których orientacja magnetyczna jest taka sama. Ta domena zachowuje się wtedy jak magnes. Obszary te są oddzielone ścianami zwanymi ścianami Blocha .
Poniżej znajduje się podsumowanie głównych rodzin materiałów magnetycznych wymienionych w tym artykule, sklasyfikowanych według ich podatności magnetycznej :
Rodzaj magnetyzmu | Wartość | Znak | Moment magnetyczny atomów | Zmiana w funkcji temperatury | Przykłady |
---|---|---|---|---|---|
Diamagnetyzm | Wyjątkowo niski, około 10 - 5 | Negatywny | Nie | = stała | Srebro , złoto , miedź , rtęć , ołów , prawie wszystkie związki organiczne |
Paramagnetyzm | Bardzo niski, około 10 - 3 | Pozytywny | Zorientowane losowo | przestrzega prawa Curie : | Platyna , mangan , aluminium i niektóre związki pierwiastków ferromagnetycznych, na przykład stop 68% żelaza 32% niklu |
Ferromagnetyzm | Bardzo duży, może osiągnąć 10 5 | Pozytywny | Wyrównane i równoległe | Powyżej temperatury Curie T C , zgodnie z prawem Curie-Weissa | Żelazo , kobalt , nikiel i wiele ich stopów, w szczególności stale i niektóre ich związki, a także niektóre kombinacje pierwiastków nieferromagnetycznych |
Antyferromagnetyzm | Bardzo wysoki | Pozytywny | Wyrównane i antyrównoległe | Powyżej temperatury Néela T N , zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Poniżej T N maleje wraz ze spadkiem temperatury. W T N osiąga swoje maksimum. | Chrom , tlenek manganu , hematyt |
Ferrimagnetyzm | Bardzo duży, może osiągnąć 10 5 | Pozytywny | Wyrównane, antyrównoległe i nierówne | Ferryt barowy |
W elektrotechnice ważne są tylko materiały ferromagnetyczne i ferrimagnetyczne, ponieważ tylko one powodują znaczny wzrost pola magnetycznego (patrz sekcja dotycząca zastosowań poniżej).
Istnieje wiele zastosowań magnetyzmu w życiu codziennym oraz w świecie przemysłu, z których dwa są przedstawione w tej sekcji.
Zainteresowanie wykorzystaniem magnetyzmu jako nośnika informacji pojawiło się, gdy próbowano zminimalizować energię wymaganą do przechowywania. W istocie zasada opiera się na właściwościach ferromagnetycznych , które pozwalają zachować w pamięci orientację zastosowanego pola zewnętrznego. Na przykład dane zapisane na dysku twardym są zapisywane na małych obiektach magnetycznych. Ten rodzaj przechowywania informacji nie wymaga prądu elektrycznego i dlatego umożliwia przechowywanie informacji na twardych dyskach bez konieczności stosowania baterii lub baterii.
Technologia umożliwia obecnie przechowywanie coraz większej ilości danych na ograniczonej przestrzeni dzięki miniaturyzacji tych obiektów i coraz większej precyzji środków odczytu tych informacji.
Jak widzieliśmy wcześniej, kiedy prąd przepływa przez przewodnik, powoduje powstanie pola magnetycznego wokół tego przewodnika. Ta właściwość służy do pomiaru prądów za pomocą czujników Halla .
Zasada efektu Halla jest prosta, prąd, który chcemy zmierzyć, będzie generował pole magnetyczne wokół drutu i to właśnie to pole magnetyczne będziemy w stanie określić ilościowo za pomocą czujnika, a następnie wrócimy do wartości prąd przepływający przez drut.
W przypadku elementów elektronicznych czujniki Halla są stosunkowo niedrogie. Można je znaleźć w smartfonach lub laptopach . To one usypiają Twoje urządzenie, gdy ekran laptopa jest złożony.