Propietats dels materials ferromagnètics i la seva aplicació en tecnologia
Al voltant d'un cable amb corrent elèctric, fins i tot al buit, hi ha camp magnètic… I si s'introdueix una substància en aquest camp, aleshores el camp magnètic canviarà, ja que qualsevol substància en un camp magnètic està magnetitzada, és a dir, adquireix un moment magnètic major o menor, definit com la suma de moments magnètics elementals associats a parts que formen aquesta substància.
L'essència del fenomen rau en el fet que les molècules de moltes substàncies tenen els seus propis moments magnètics, perquè les càrregues es mouen a l'interior de les molècules, que formen corrents circulars elementals i, per tant, van acompanyades de camps magnètics. Si no s'aplica cap camp magnètic extern a la substància, els moments magnètics de les seves molècules s'orienten aleatòriament a l'espai i el camp magnètic total (així com el moment magnètic total de les molècules) d'aquesta mostra serà zero.
Si la mostra s'introdueix en un camp magnètic extern, llavors l'orientació dels moments magnètics elementals de les seves molècules adquirirà una direcció preferent sota la influència del camp extern. Com a resultat, el moment magnètic total de la substància deixarà de ser zero, ja que els camps magnètics de les molècules individuals en noves condicions no es compensen mútuament. Així, la substància desenvolupa un camp magnètic B.
Si les molècules d'una substància inicialment no tenen moments magnètics (hi ha aquestes substàncies), aleshores, quan aquesta mostra s'introdueix en un camp magnètic, s'hi indueixen corrents circulars, és a dir, les molècules adquireixen moments magnètics, que de nou, com a resultat, condueix a l'aparició d'un camp magnètic total B.
La majoria de les substàncies conegudes estan dèbilment magnetitzades en un camp magnètic, però també hi ha substàncies que es distingeixen per fortes propietats magnètiques, s'anomenen ferroimants… Exemples de ferroimants: ferro, cobalt, níquel i els seus aliatges.
Els ferroimants inclouen sòlids que a baixes temperatures tenen una magnetització espontània (espontània) que varia significativament sota la influència d'un camp magnètic extern, deformació mecànica o canvi de temperatura. Així es comporten l'acer i el ferro, el níquel i el cobalt i els aliatges. La seva permeabilitat magnètica és milers de vegades superior a la del buit.
Per aquest motiu, en enginyeria elèctrica, per conduir el flux magnètic i per convertir energia, s'utilitza tradicionalment nuclis magnètics fets de materials ferromagnètics.
En aquestes substàncies, les propietats magnètiques depenen de les propietats magnètiques dels portadors elementals del magnetisme: electrons que es mouen dins dels àtoms… Per descomptat, els electrons que es mouen en òrbites en àtoms al voltant dels seus nuclis formen corrents circulars (dipols magnètics). Però en aquest cas, els electrons també giren al voltant dels seus eixos, creant moments magnètics de spin, que simplement juguen el paper principal en la magnetització dels ferroimants.
Les propietats ferromagnètiques només es manifesten quan la substància es troba en estat cristal·lí. A més, aquestes propietats depenen molt de la temperatura, ja que el moviment tèrmic impedeix l'orientació estable dels moments magnètics elementals. Així, per a cada ferroimant, es determina una temperatura específica (punt de Curie) a la qual es destrueix l'estructura de magnetització i la substància es converteix en un paraimant. Per exemple, per al ferro és de 900 ° C.
Fins i tot en camps magnètics febles, els ferroimants es poden magnetitzar fins a la saturació. A més, la seva permeabilitat magnètica depèn de la magnitud del camp magnètic extern aplicat.
Al començament del procés de magnetització inducció magnètica B es fa més fort en un ferromagnètic, és a dir permeabilitat magnètica és genial. Però quan es produeix la saturació, augmentar encara més la inducció magnètica del camp extern ja no comporta un augment del camp magnètic del ferroimant i, per tant, la permeabilitat magnètica de la mostra ha disminuït, ara tendeix a 1.
Una propietat important dels ferroimants és resta… Suposem que es col·loca una vareta ferromagnètica a la bobina i augmentant el corrent a la bobina es porta a la saturació. A continuació, es va apagar el corrent de la bobina, és a dir, es va eliminar el camp magnètic de la bobina.
Es podrà notar que la vareta no està desmagnetitzada a l'estat en què es trobava al principi, el seu camp magnètic serà més gran, és a dir, hi haurà una inducció residual. La vareta es va girar d'aquesta manera a un imant permanent.
Per desmagnetitzar aquesta vareta cap enrere, caldrà aplicar-li un camp magnètic extern amb sentit contrari i amb una inducció igual a la inducció residual. El valor del mòdul d'inducció del camp magnètic que s'ha d'aplicar a un ferroimant magnetitzat (imant permanent) per poder desmagnetitzar-lo s'anomena força coercitiva.
Les corbes de magnetització (bucles d'histèresi) per a diferents materials ferromagnètics difereixen entre si.
Alguns materials tenen llaços d'histèresi amplis: aquests són materials amb alta magnetització residual, s'anomenen materials magnèticament durs. Els materials magnètics durs s'utilitzen en la fabricació d'imants permanents.
Per contra, els materials magnètics tous tenen un bucle d'histèresi estret, una magnetització residual baixa i es magnetitzen fàcilment en camps febles. Són materials magnètics tous que s'utilitzen com a nuclis magnètics de transformadors, estators de motors, etc.
Els ferroimants tenen un paper molt important en la tecnologia actual. Els materials magnètics tous (ferrites, acer elèctric) s'utilitzen en motors i generadors elèctrics, en transformadors i bobines, així com en enginyeria de ràdio. Les ferrites estan fetes nuclis inductors.
Els materials magnètics durs (ferrites de bari, cobalt, estronci, neodimi-ferro-bor) s'utilitzen per fer imants permanents. Els imants permanents s'utilitzen àmpliament en instruments elèctrics i acústics, en motors i generadors, en brúixoles magnètiques, etc.