- איך מקור התגובה המגנטית בתוך חומרים?
- התחומים המגנטיים
- היסטריה מגנטית
- חומרים קשים ורכים מגנטיים: יישומים
- הפניות
פרומגנטיות הוא נכס שנותן כמה חומרים אינטנסיבי בתגובה מגנטי קבוע. בטבע ישנם חמישה אלמנטים עם תכונה זו: ברזל, קובלט, ניקל, גאדוליניום ודיפרוסיום, האחרונים האחרונים נדירים.
בנוכחות שדה מגנטי חיצוני, כמו זה המיוצר על ידי מגנט טבעי או אלקטרומגנט, חומר מגיב בצורה אופיינית, על פי התצורה הפנימית שלו. הגודל שמכמת תגובה זו הוא החדירות המגנטית.
מגנטים היוצרים גשר. מקור: Pixabay
חדירות מגנטית היא כמות חסרת ממדים הניתנת על ידי המנה בין עוצמת השדה המגנטי הנוצר בתוך החומר לבין זו של השדה המגנטי המופעל חיצונית.
כאשר תשובה זו גדולה בהרבה מ -1, החומר מסווג כפרומגנטי. מצד שני, אם החדירות אינה גדולה בהרבה מ- 1, התגובה המגנטית נחשבת לחלשה יותר, הרי שהם חומרים פרמגנטיים.
בברזל החדירות המגנטית היא בסדר גודל של 10 4 . המשמעות היא שהשדה שבתוך הברזל גדול פי 10,000 מהשדה המופעל חיצונית. הנותן מושג עד כמה חזק התגובה המגנטית של מינרל זה.
איך מקור התגובה המגנטית בתוך חומרים?
ידוע שמגנטיות היא השפעה הקשורה בתנועת מטענים חשמליים. בדיוק מזה מורכב הזרם החשמלי. מאיפה מגיעים המאפיינים המגנטיים של מגנט הבר שאיתו נתק פתק על המקרר?
החומר של המגנט, וכל חומר אחר, מכיל פרוטונים ואלקטרונים בפנים, בעלי תנועה משלהם ומייצרים זרמים חשמליים בדרכים שונות.
מודל פשוט מאוד מניח את האלקטרון במסלול מעגלי סביב הגרעין המורכב מפרוטונים ונויטרונים, וכך נוצר לולאה זעירה של זרם. כל לולאה קשורה לעוצמה וקטורית המכונה "רגע מגנטי מסלולי", שעוצמתו ניתנת על ידי תוצר הזרם והאזור שנקבע על ידי הלולאה: מגנטון בוהר.
כמובן שבלולאה קטנה זו הזרם תלוי במטען האלקטרון. מכיוון שכל החומרים מכילים אלקטרונים בפנים שלהם, לכולם יש באופן עקרוני אפשרות לבטא תכונות מגנטיות. עם זאת, לא כולם כן.
הסיבה לכך היא שהרגעים המגנטיים שלהם אינם מיושרים, אלא מסודרים באופן אקראי בפנים, כך שההשפעות המגנטיות המאקרוסקופיות שלה מבטלות.
הסיפור לא נגמר כאן. תוצר הרגע המגנטי של תנועת האלקטרונים סביב הגרעין אינו המקור היחיד האפשרי למגנטיות בסולם זה.
לאלקטרון יש סוג של תנועה סיבובית סביב צירו. זו השפעה שמתורגמת למומנטום זוויתי מהותי. מאפיין זה נקרא ספין האלקטרוני.
באופן טבעי יש לו גם רגע מגנטי קשור והוא הרבה יותר חזק מהרגע המסלול. למעשה, התרומה הגדולה ביותר לרגע המגנטי נטו של האטום היא דרך הסיבוב, עם זאת שני הרגעים המגנטיים: זו של התרגום פלוס זו של המומנטום הזוויתי המהותי, תורמים לרגע המגנטי הכולל של האטום.
הרגעים המגנטיים הללו הם אלה הנוטים להתיישר בנוכחות שדה מגנטי חיצוני. והם גם עושים את זה עם השדות שנוצרו ברגעים שכנים בחומר.
כעת, אלקטרונים מתיישרים בדרך כלל באטומים עם אלקטרונים רבים. זוגות נוצרים בין אלקטרונים עם ספין מנוגד, וכתוצאה מכך הרגע המגנטי של הסיבוב מבטל החוצה.
הדרך היחידה בה הסיבוב תורם לרגע המגנטי הכולל היא אם אחד מהם אינו מותאם, כלומר לאטום יש מספר מוזר של אלקטרונים.
מה עם הרגע המגנטי של הפרוטונים בגרעין? ובכן, יש להם גם רגע ספין, אבל זה לא נחשב לתרום משמעותית למגנטיות של אטום. הסיבה לכך היא שרגע הסיבוב תלוי הפוך במסה והמסה של הפרוטון גדולה בהרבה מזו של האלקטרון.
התחומים המגנטיים
בברזל, קובלט וניקל, שלישת היסודות עם התגובה המגנטית הגדולה, רגע הסיבוב הנקי המיוצר על ידי האלקטרונים אינו אפס. במתכות אלה האלקטרונים במסלול התלת ממדי, אלה החיצוניים ביותר, הם התורמים לרגע המגנטי נטו. זו הסיבה שחומרים כאלה נחשבים לפרומגנטיים.
עם זאת, הרגע המגנטי האינדיבידואלי הזה של כל אטום אינו מספיק בכדי להסביר את התנהגותם של חומרים פרומגנטיים.
בתוך חומרים מגנטיים חזקים ישנם אזורים המכונים תחומים מגנטיים , שהאורך שלהם יכול להשתנות בין 10 -4 ל- 10 -1 ס"מ וכוללים מיליארדי אטומים. באזורים אלה, רגעי הסיבוב הנקי של האטומים הסמוכים מתחברים זה לזה.
כאשר חומר עם תחומים מגנטיים מתקרב למגנט, התחומים מתיישרים זה עם זה, ומעצימים את האפקט המגנטי.
הסיבה לכך היא שלתחומים, כמו מגנטים לבר, יש קטבים מגנטיים, הנקבעים בצפון ובדרום באותה מידה, כך שדומים כמו קטבים הדוחים ומוטות הפוכים מושכים אותם.
כאשר התחומים מתיישרים עם השדה החיצוני, החומר פולט קולות פיצוח שניתן לשמוע באמצעות הגברה מתאימה.
ניתן לראות אפקט זה כאשר מגנט מושך את ציפורני הברזל הרכות ואלו בתורם מתנהגים כמו מגנטים המושכים ציפורניים אחרות.
תחומים מגנטיים אינם גבולות סטטיים המוקמים בתוך החומר. ניתן לשנות את גודלו על ידי קירור או חימום של החומר, וכן בכפוף לו לפעולה של שדות מגנטיים חיצוניים.
עם זאת, צמיחת הדומיין אינה מוגבלת. ברגע בו כבר לא ניתן ליישר אותם, נאמר שנקודת הרוויה של החומר הושגה. השפעה זו באה לידי ביטוי בעקומות ההיסטרזה שלמטה.
חימום החומר גורם לאובדן יישור הרגעים המגנטיים. הטמפרטורה בה אבוד המגנטציה שונה לחלוטין תלוי בסוג החומר, עבור מגנט מוט הוא בדרך כלל הולך לאיבוד בסביבות 770 מעלות צלזיוס.
לאחר הוצאת המגנט אבודה המגנטציה של הציפורניים בגלל התסיסה התרמית הקיימת בכל עת. אבל ישנם תרכובות אחרות שיש להן מגנטציה קבועה, מכיוון שהם יישרו תחומים ספונטניים.
ניתן להבחין בתחומים מגנטיים כאשר שטח שטוח של חומר פרומגנטי לא ממוגנט, כגון ברזל רך, נחתך ומלוטש היטב. לאחר שהדבר נעשה, הוא מפוזר על גבי אבקות או מסתי ברזל עדינות.
תחת המיקרוסקופ נצפה כי השבבים מקובצים על אזורים יוצרי המינרלים בעלי אוריינטציה מוגדרת היטב, בעקבות התחומים המגנטיים של החומר.
ההבדל בהתנהגות בין חומרים מגנטיים שונים נובע מהאופן בו התחומים מתנהגים בתוכם.
היסטריה מגנטית
היסטריה מגנטית היא מאפיין שרק חומרים בעלי חדירות מגנטית גבוהה הם בעלי. הוא אינו קיים בחומרים פרמטגנטיים או יהלומים מגנטיים.
הוא מייצג את ההשפעה של שדה מגנטי חיצוני מיושם, המכונה H, על האינדוקציה המגנטית B של מתכת פרומגנטית במהלך מחזור של מגנטציה ודה -agnetization. הגרף המוצג נקרא עקומת היסטריה.
מחזור היסטריה פרומגנטית
בתחילה בנקודה O אין שדה יישומית H או בתגובה המגנטי B , אך ככל שעוצמת העליות H , אינדוקציה B עולה בהדרגה עד שהגיע גודל הרוויה B ים ב נקודה, אשר צפוי.
כעת עוצמת ה- H יורדת בהדרגה עד שהיא הופכת ל -0, כאשר אנו מגיעים לנקודה C, אולם התגובה המגנטית של החומר אינה נעלמת, תוך שמירה על מגנטציה שארית שמסומנת על ידי הערך B r . המשמעות היא שהתהליך אינו הפיך.
משם עוצמת H עולה אך עם הפיכת הקוטביות (סימן שלילי), כך שמגנטית השארית מבוטלת בנקודה D. הערך ההכרחי של H מסומן כ- H c ונקרא שדה הכפייה .
עוצמת H גדלה עד שהיא מגיעה לערך הרוויה ב- E ומיד עוצמת H יורדת עד שהיא מגיעה ל -0, אך נותרה ממגנטציה שארית עם קוטביות הפוכה לזו שתוארה קודם, בנקודה F.
כעת הקוטביות של H מתהפכת שוב ועוצמתה מוגברת עד לביטול התגובה המגנטית של החומר בנקודה G. בעקבות השביל GA מתקבלת הרוויה שלו שוב. אבל הדבר המעניין הוא שלא הגעת לשם בדרך המקורית שצוינה על ידי החצים האדומים.
חומרים קשים ורכים מגנטיים: יישומים
ברזל רך קל יותר למגנט מאשר פלדה, והקשת החומר מקלה עוד יותר על יישור התחומים.
כשחומר קל למגנט ולדה -agnetise נאמר שהוא רך מבחינה מגנטית , וכמובן שאם ההיפך קורה זה חומר קשה מבחינה מגנטית . באחרונים התחומים המגנטיים הם קטנים, ואילו בראשון הם גדולים, כך שניתן לראותם דרך המיקרוסקופ, כמפורט לעיל.
האזור הסגור על ידי עקומת ההיסטרזה הוא מדד לאנרגיה הנדרשת למגנט - דמגנטיזציה של החומר. באיור מופיעים שני עקומות היסטריה לשני חומרים שונים. זה משמאל רך מגנטית ואילו מימין קשה.
לחומר פרומגנטי רך יש שדה כופה קטן H c ועקומת היסטריה גבוהה וצרה. זהו חומר מתאים להצבה בליבת שנאי חשמל. דוגמאות לכך הן ברזל רך וברזל סיליקון וסגסוגות ניקל ברזל, שימושי לציוד תקשורת.
לעומת זאת, חומרים קשים מגנטיים קשים לניתוח ממגנט ברגע שממגנטים אותם, כמו שקורה בסגסוגות אלניקו (אלומיניום-ניקל-קובלט) וסגסוגות אדמה נדירות איתם מיוצרים מגנטים קבועים.
הפניות
- אייזברג, ר '1978. פיסיקה קוונטית. לימוזה. 557 -577.
- צעיר, יו. 2016. פיזיקה באוניברסיטה של סירס-זמנסקי עם פיזיקה מודרנית. העיתון ה -14 פירסון. 943.
- Zapata, F. (2003). מחקר של מינרלוגיות הקשורות לבארת השמן Guafita 8x השייכת לשדה Guafita (Apure State) באמצעות מדידות רגישות מגנטית וספקטרוסקופיה של Mossbauer. עבודת תואר. האוניברסיטה המרכזית של ונצואלה.