Ferromagnetiliste materjalide omadused ja nende rakendamine tehnoloogias
Elektrivooluga traadi ümber, isegi vaakumis, on magnetväli… Ja kui aine sisestatakse sellesse välja, siis magnetväli muutub, kuna iga magnetväljas olev aine on magnetiseeritud, see tähendab, et see omandab suurema või väiksema magnetmomendi, mis on määratletud kui elementaarsete magnetmomentide summa, mis on seotud osad, millest see aine koosneb.
Nähtuse olemus seisneb selles, et paljude ainete molekulidel on oma magnetmomendid, kuna molekulide sees liiguvad laengud, mis moodustavad elementaarseid ringvoolusid ja millega kaasnevad seetõttu magnetväljad. Kui ainele ei rakendata välist magnetvälja, on selle molekulide magnetmomendid ruumis juhuslikult orienteeritud ja sellise proovi kogumagnetväli (nagu ka molekulide kogumagnetmoment) on null.
Kui proov viiakse välisesse magnetvälja, omandab selle molekulide elementaarsete magnetmomentide orientatsioon välise välja mõjul eelistatud suuna. Selle tulemusena ei ole aine kogumagnetmoment enam null, kuna üksikute molekulide magnetväljad uutes tingimustes üksteist ei kompenseeri. Seega arendab aine magnetvälja B.
Kui aine molekulidel pole algselt magnetmomente (selliseid aineid on), siis sellise proovi magnetvälja viimisel indutseeritakse selles ringvoolud ehk molekulid omandavad magnetmomente, mis jällegi Selle tulemusena tekib kogu magnetvälja B.
Enamik teadaolevatest ainetest on magnetväljas nõrgalt magnetiseeritud, kuid on ka aineid, mis eristuvad tugevate magnetiliste omadustega, neid nimetatakse nn. ferromagnetid… Näited ferromagnetitest: raud, koobalt, nikkel ja nende sulamid.
Ferromagnetid hõlmavad tahkeid aineid, millel on madalatel temperatuuridel spontaanne (iseeneslik) magnetiseerumine, mis varieerub oluliselt välise magnetvälja, mehaanilise deformatsiooni või muutuva temperatuuri mõjul. Nii käituvad teras ja raud, nikkel ja koobalt ja sulamid. Nende magnetiline läbilaskvus on tuhandeid kordi suurem kui vaakumi oma.
Sel põhjusel kasutatakse seda traditsiooniliselt elektrotehnikas magnetvoo juhtimiseks ja energia muundamiseks ferromagnetilistest materjalidest valmistatud magnetsüdamikud.
Sellistes ainetes sõltuvad magnetilised omadused magnetismi elementaarsete kandjate magnetilistest omadustest - aatomite sees liikuvad elektronid… Muidugi moodustavad elektronid, mis liiguvad oma tuuma ümber olevates aatomites orbiitidel, ringvoolud (magnetdipoolid). Kuid sel juhul pöörlevad elektronid ka ümber oma telgede, tekitades spin-magnetmomente, mis mängivad ferromagnetite magnetiseerimisel lihtsalt peamist rolli.
Ferromagnetilised omadused avalduvad ainult siis, kui aine on kristallilises olekus. Lisaks sõltuvad need omadused suuresti temperatuurist, kuna termiline liikumine takistab elementaarsete magnetmomentide stabiilset orientatsiooni. Seega määratakse iga ferromagneti jaoks konkreetne temperatuur (Curie punkt), mille juures magnetiseerimisstruktuur hävib ja ainest saab paramagnet. Näiteks raua puhul on see 900 ° C.
Isegi nõrkade magnetväljade korral saab ferromagneteid magnetiseerida küllastuseni. Lisaks sõltub nende magnetiline läbilaskvus rakendatava välise magnetvälja suurusest.
Magnetiseerimisprotsessi alguses magnetiline induktsioon B muutub ferromagnetilises tugevamaks, mis tähendab magnetiline läbilaskvus see on suurepärane.Kuid küllastumise korral ei too välisvälja magnetinduktsiooni edasine suurendamine enam kaasa ferromagneti magnetvälja suurenemist ja seetõttu on proovi magnetiline läbilaskvus vähenenud, nüüd kipub see 1-ni.
Ferromagnetite oluline omadus on ülejäänud osa… Oletame, et mähisesse asetatakse ferromagnetiline varras ja mähises oleva voolu suurendamisega viiakse see küllastusse. Seejärel lülitati mähises vool välja, see tähendab, et mähise magnetväli eemaldati.
On võimalik märgata, et varras ei ole demagnetiseeritud olekusse, milles see alguses oli, selle magnetväli on suurem, see tähendab, et tekib jääkinduktsioon. Varras keerati niimoodi püsimagnetile.
Sellise varda tagasi demagnetiseerimiseks on vaja sellele rakendada vastassuunalist välist magnetvälja, mille induktsioon on võrdne jääkinduktsiooniga. Magnetvälja induktsiooni mooduli väärtust, mida tuleb rakendada magnetiseeritud ferromagnetile (püsimagnetile), et seda demagnetiseerida nimetatakse sundjõud.
Erinevate ferromagnetiliste materjalide magnetiseerimiskõverad (hüstereesisilmused) erinevad üksteisest.
Mõnel materjalil on lai hüstereesisilmus – need on kõrge jääkmagnetiseeritusega materjalid, neid nimetatakse magnetiliselt kõvadeks materjalideks. Püsimagnetite valmistamisel kasutatakse kõvasid magnetmaterjale.
Vastupidi, pehmetel magnetmaterjalidel on kitsas hüstereesisilmus, madal jääkmagnetiseeritus ja need on nõrkades väljades kergesti magnetiseeritavad. Need on pehmed magnetmaterjalid, mida kasutatakse trafode, mootori staatorite jne magnetsüdamikena.
Ferromagnetid mängivad tänapäeval tehnoloogias väga olulist rolli. Pehmeid magnetmaterjale (ferriite, elektriteras) kasutatakse elektrimootorites ja -generaatorites, trafodes ja drosselites, aga ka raadiotehnikas. Ferriidid on valmistatud induktiivpooli südamikud.
Püsimagnetite valmistamiseks kasutatakse kõvasid magnetmaterjale (baariumi, koobalti, strontsiumi ferriite, neodüüm-raud-boor). Püsimagneteid kasutatakse laialdaselt elektri- ja akustilistes instrumentides, mootorites ja generaatorites, magnetkompassides jne.