FERROMAGNETISM: MGA MATERYALES, APLIKASYON AT HALIMBAWA - PISIKAL - 2025

Ang ferromagnetism ay ang pag-aari na nagbibigay ng ilang mga sangkap na matindi at permanenteng tugon ng magnet. Sa likas na katangian ay may limang elemento na may pag-aari na ito: iron, kobalt, nikel, gadolinium at dysprosium, ang huli na bihirang mga lupa.

Sa pagkakaroon ng isang panlabas na magnetic field, tulad ng ginawa ng isang natural na magnet o isang electromagnet, ang isang sangkap ay tumugon sa isang katangian na katangian, ayon sa panloob na pagsasaayos nito. Ang magnitude na sumusukat sa tugon na ito ay ang magnetic pagkamatagusin.

Mga magneto na bumubuo ng isang tulay. Pinagmulan: Pixabay

Ang magnetikong pagkamatagusin ay isang walang sukat na dami na ibinigay ng quotient sa pagitan ng intensity ng magnetic field na nabuo sa loob ng materyal at ng magnetic field na inilalabas sa labas.

Kung ang sagot na ito ay mas malaki kaysa sa 1, ang materyal ay inuri bilang ferromagnetic. Sa kabilang banda, kung ang pagkamatagusin ay hindi mas malaki kaysa sa 1, ang magnetic na tugon ay itinuturing na mas mahina, ang mga ito ay mga paramagnetic na materyales.

Sa iron ang magnetic pagkamatagusin ay nasa pagkakasunud-sunod ng 10 ⁴ . Nangangahulugan ito na ang patlang sa loob ng bakal ay halos 10,000 beses na mas malaki kaysa sa larangan na inilalabas sa labas. Alin ang nagbibigay ng ideya kung gaano kalakas ang magnetic na tugon ng mineral na ito.

Paano nagmula ang magnetic na tugon sa loob ng mga sangkap?

Ang magneto ay kilala bilang isang epekto na nauugnay sa paggalaw ng mga singil ng kuryente. Iyon mismo ang binubuo ng electric current. Saan kung saan nagmula ang mga magnetic properties ng bar magnet na kung saan ang isang tala ay natigil sa ref ay nagmula?

Ang materyal ng pang-akit, at mayroon ding iba pang sangkap na naglalaman ng mga proton at elektron, na may sariling paggalaw at nakabuo ng mga de-koryenteng alon sa iba't ibang paraan.

Ang isang pinasimpleng modelo ay ipinapalagay ang elektron sa isang pabilog na orbit sa paligid ng nucleus na binubuo ng mga proton at neutron, kaya bumubuo ng isang maliit na loop ng kasalukuyang. Ang bawat loop ay nauugnay sa isang magnitude ng vector na tinatawag na "orbital magnetic moment", na ang intensity ay ibinibigay ng produkto ng kasalukuyang at ang lugar na tinutukoy ng loop: ang Bohr magneton.

Siyempre, sa maliit na loop na ito ang kasalukuyang nakasalalay sa singil ng elektron. Dahil ang lahat ng mga sangkap ay naglalaman ng mga electron sa kanilang panloob, lahat ay may prinsipyo, ang posibilidad ng pagpapahayag ng mga magnetic na katangian. Gayunpaman, hindi lahat ng ito ay ginagawa.

Ito ay dahil ang mga magnetic moment nito ay hindi nakahanay, ngunit sa halip random na nakaayos sa loob, sa isang paraan na ang mga macroscopic magnetic effects nito ay tinanggal.

Ang kwento ay hindi nagtatapos dito. Ang magnetic moment product ng electron motion sa paligid ng nucleus ay hindi lamang ang posibleng mapagkukunan ng magnetism sa scale na ito.

Ang elektron ay may isang uri ng pag-ikot na paggalaw sa paligid ng axis nito. Ito ay isang epekto na isinasalin sa isang intrinsic angular momentum. Ang ari-arian na ito ay tinatawag na electron spin .

Naturally mayroon din itong nauugnay na magnetic moment at ito ay mas malakas kaysa sa orbital moment. Sa katunayan, ang pinakadakilang kontribusyon sa net magnetic moment ng atom ay sa pamamagitan ng paikutin, gayunpaman parehong magnetic sandali: iyon ng pagsasalin kasama na ng intrinsic angular momentum, nag-ambag sa kabuuang magnetic moment ng atom.

Ang mga magnetic moment na ito ay ang mga may posibilidad na magkahanay sa pagkakaroon ng isang panlabas na magnetic field. At ginagawa din nila ito sa mga patlang na nilikha ng mga kalapit na sandali sa materyal.

Ngayon, ang mga electron ay karaniwang nagpapares sa mga atoms na may maraming mga elektron. Ang mga pares ay nabuo sa pagitan ng mga electron na may kabaligtaran na pag-ikot, na nagreresulta sa pag-ikot ng magnetic moment.

Ang tanging paraan na ang pag-ikot ay nag-aambag sa kabuuang magnetic moment ay kung ang isa sa kanila ay walang bayad, iyon ay, ang atom ay may kakaibang bilang ng mga electron.

Kumusta naman ang magnetic moment ng proton sa nucleus? Sa gayon, mayroon din silang sandali ng pag-ikot, ngunit hindi ito itinuturing na mag-ambag nang malaki sa magnetism ng isang atom. Ito ay dahil ang sandali ng pag-ikot ay hindi masyadong umaasa sa masa at ang masa ng proton ay mas malaki kaysa sa elektron.

Ang magnetic domain

Sa bakal, kobalt at nikel, ang triad ng mga elemento na may mahusay na tugon ng magnet, ang net moment na gulong na ginawa ng mga electron ay hindi zero.Sa mga metal na ito, ang mga electron sa 3d orbital, ang pinakamalayo, ay ang na nag-ambag sa net magnetic moment. Iyon ang dahilan kung bakit ang mga naturang materyales ay itinuturing na ferromagnetic.

Gayunpaman, ang indibidwal na magnetikong sandali ng bawat atom ay hindi sapat upang maipaliwanag ang pag-uugali ng mga materyales na ferromagnetic.

Sa loob ng malakas na magnetic material mayroong mga rehiyon na tinatawag na magnetic domain , na ang extension ay maaaring mag-iba sa pagitan ng 10 ^-4 at 10 ^-1 cm at naglalaman ng bilyun-bilyong mga atoms. Sa mga rehiyon na ito, ang mga net sandali ng mga kalapit na mga atom ay naging mahigpit na kaisa.

Kapag ang isang materyal na may magnetic domain ay lumalapit sa isang magnet, ang mga domain ay nakahanay sa bawat isa, pinatindi ang magnetic effect.

Ito ay dahil ang mga domain, tulad ng mga magnet na bar, ay may magnetic pole, na pantay na ipinakilala sa Hilaga at Timog, tulad ng tulad ng mga poste na maitaboy at kabaligtaran ang mga pole.

Tulad ng mga domain na nakahanay sa panlabas na larangan, ang materyal ay nagpapalabas ng mga tunog ng pag-crack na maririnig ng naaangkop na pagpapalakas.

Ang epektong ito ay makikita kapag ang isang pang-akit ay nakakaakit ng malambot na mga kuko na bakal at ang mga ito naman ay kumikilos tulad ng mga magnet na umaakit sa ibang mga kuko.

Ang mga magnetikong domain ay hindi static na mga hangganan na itinatag sa loob ng materyal. Ang laki nito ay maaaring mabago sa pamamagitan ng paglamig o pag-init ng materyal, at isasailalim din ito sa pagkilos ng mga panlabas na magnetic field.

Gayunpaman, ang paglago ng domain ay hindi limitado. Sa sandaling kung saan hindi na posible na ihanay ang mga ito, sinasabing naabot ang saturation point ng materyal. Ang epekto na ito ay makikita sa mga curves ng hysteresis sa ibaba.

Ang pag-init ng materyal ay nagiging sanhi ng pagkawala ng pagkakahanay ng mga magnetic moment. Ang temperatura kung saan ang magnetization ay ganap na nawala naiiba depende sa uri ng materyal, para sa isang bar magnet ay karaniwang nawala sa paligid ng 770ºC.

Kapag ang magnet ay tinanggal, ang magnetization ng mga kuko ay nawala dahil sa thermal agitation na naroroon sa lahat ng oras. Ngunit may iba pang mga compound na mayroong permanenteng magnetisasyon, dahil kusang nakahanay sila ng mga domain.

Ang mga magnetikong domain ay maaaring sundin kapag ang isang patag na lugar ng hindi magnetized ferromagnetic na materyal, tulad ng malambot na bakal, ay napakahusay na pinutol at pinakintab. Kapag ito ay tapos na, ito ay binubugbog ng pulbos o pinong iron filings.

Sa ilalim ng mikroskopyo ay napansin na ang mga chips ay naka-grupo sa mga mineral na bumubuo ng mga rehiyon na may napakahusay na natukoy na orientation, kasunod ng mga magnetic domain ng materyal.

Ang pagkakaiba sa pag-uugali sa pagitan ng iba't ibang mga magnetic material ay dahil sa paraan ng pag-uugali ng mga domain sa loob nila.

Magnetic hysteresis

Ang magnetikong hysteresis ay isang katangian na ang mga materyales lamang na may mataas na magnetikong pagkamatagusin ang nagtataglay. Hindi ito naroroon sa mga materyales na paramagnetic o diamagnetic.

Kinakatawan nito ang epekto ng isang inilapat na panlabas na magnetic field, na kung saan ay ipinapahiwatig bilang H, sa magnetic induction B ng isang ferromagnetic metal sa panahon ng isang ikot ng magnetization at demagnetization. Ang graph na ipinakita ay tinatawag na isang hysteresis curve.

Ferromagnetic hysteresis cycle

Sa una sa punto O walang inilapat na patlang H o magnetic na tugon B , ngunit habang ang pagtaas ng H ay tumataas , ang induction B ay tumataas nang pataas hanggang sa maabot ang saturation magnitude B _s sa puntong A, na inaasahan.

Ngayon ang tindi ng H ay unti-unting nabawasan hanggang sa ito ay 0, na nakarating kami sa point C, gayunpaman ang magnetic na tugon ng materyal ay hindi nawala, nananatili ang isang natitirang magnetization na ipinahiwatig ng halaga B _r . Nangangahulugan ito na ang proseso ay hindi mababalik.

Mula roon ay tumataas ang H ngunit subalit sa pagbabalik ng polar (negatibong senyas), upang ang natitirang magnetization ay nakansela sa puntong D. Ang kinakailangang halaga ng H ay tinukoy bilang H _c at tinatawag na coercive field .

Ang kadami ng H ay tumataas hanggang sa maabot nito ang halaga ng saturation sa E muli at agad na ang lakas ng H ay bumababa hanggang sa umabot ito sa 0, ngunit nananatili ang isang natitirang magnetization na may polaridad na kabaligtaran sa dati nang inilarawan, sa puntong F.

Ngayon ang polarity ng H ay baligtad muli at ang laki nito ay nadagdagan hanggang sa ang magnetic na tugon ng materyal sa puntong G ay kanselahin. Kasunod ng landas ng GA ang saturation nito ay nakuha muli. Ngunit ang nakawiwiling bagay ay hindi ka nakarating doon sa pamamagitan ng orihinal na landas na ipinahiwatig ng mga pulang arrow.

Magnetically mahirap at malambot na materyales: application

Ang malambot na bakal ay mas madaling mag-magnetize kaysa sa bakal, at ang pag-tap sa materyal ay higit na nagpapadali sa pagkakahanay ng mga domain.

Kung ang isang materyal ay madaling mag-magnetize at mag-demagnetize ay masasabing malambot na magnetically , at siyempre kung ang kabaligtaran ay nangyayari ito ay isang magnetikong matigas na materyal . Sa huli ang mga magnetic domain ay maliit, habang sa dating malaki sila, kaya makikita ito sa pamamagitan ng mikroskopyo, tulad ng detalyado sa itaas.

Ang lugar na nakapaloob sa curve ng hysteresis ay isang sukatan ng enerhiya na kinakailangan upang ma-magnetize - buwagin ang materyal. Ang figure ay nagpapakita ng dalawang mga curve ng hysteresis para sa dalawang magkakaibang mga materyales. Ang isa sa kaliwa ay malumanay na malambot, habang ang isa sa kanan ay mahirap.

Ang isang malambot na materyal na ferromagnetic ay may isang maliit na mapilit na patlang H _c at isang mataas, makitid na curve ng hysteresis. Ito ay isang naaangkop na materyal na mailalagay sa core ng isang elektrikal na transpormer. Ang mga halimbawa nito ay malambot na bakal at silikon-iron at iron-nickel alloy, kapaki-pakinabang para sa mga kagamitan sa komunikasyon.

Sa kabilang banda, ang mga magnet na mahirap na materyales ay mahirap i-de-magnetize sa sandaling ma-magnetize, tulad ng kaso sa alnico alloys (aluminyo-nickel-kobalt) at bihirang mga alloy ng lupa na kung saan ang permanenteng magneto ay ginawa.

Mga Sanggunian

1. Eisberg, R. 1978. Physics ng Dami. Limusa. 557 -577.
2. Bata, Hugh. 2016. Ang Pisika ng Unibersidad ng Sears-Zemansky na may Modern Physics. Ika-14 na Ed. 943.
3. Zapata, F. (2003). Pag-aaral ng mga mineralogies na nauugnay sa langis ng Guafita 8x na pagmamay-ari ng patlang Guafita (Apure State) gamit ang Mossbauer Magnetic Susceptibility at Spectroscopy na pagsukat. Tesis ng degree. Gitnang Unibersidad ng Venezuela.