- Wie entsteht die magnetische Reaktion in Substanzen?
- Die magnetischen Domänen
- Magnetische Hysterese
- Magnetisch harte und weiche Materialien: Anwendungen
- Verweise
Der Ferromagnetismus ist die Eigenschaft, die einigen Substanzen eine intensive und permanente magnetische Reaktion verleiht. In der Natur gibt es fünf Elemente mit dieser Eigenschaft: Eisen, Kobalt, Nickel, Gadolinium und Dysprosium, letztere Seltene Erden.
Bei Vorhandensein eines externen Magnetfelds, wie es beispielsweise von einem natürlichen Magneten oder einem Elektromagneten erzeugt wird, reagiert eine Substanz entsprechend ihrer internen Konfiguration auf charakteristische Weise. Die Größe, die diese Antwort quantifiziert, ist die magnetische Permeabilität.
Magnete bilden eine Brücke. Quelle: Pixabay
Die magnetische Permeabilität ist eine dimensionslose Größe, die durch den Quotienten zwischen der Intensität des im Material erzeugten Magnetfelds und der des von außen angelegten Magnetfelds gegeben ist.
Wenn diese Antwort viel größer als 1 ist, wird das Material als ferromagnetisch klassifiziert. Wenn andererseits die Permeabilität nicht viel größer als 1 ist, wird die magnetische Antwort als schwächer angesehen, es handelt sich um paramagnetische Materialien.
In Eisen liegt die magnetische Permeabilität in der Größenordnung von 10 4 . Dies bedeutet, dass das Feld im Eisen etwa 10.000-mal größer ist als das extern angelegte Feld. Dies gibt eine Vorstellung davon, wie stark die magnetische Reaktion dieses Minerals ist.
Wie entsteht die magnetische Reaktion in Substanzen?
Es ist bekannt, dass Magnetismus ein Effekt ist, der mit der Bewegung elektrischer Ladungen verbunden ist. Daraus besteht der elektrische Strom. Woher kommen dann die magnetischen Eigenschaften des Stabmagneten, mit dem eine Notiz auf den Kühlschrank geklebt wurde?
Das Material des Magneten und auch jede andere Substanz enthält im Inneren Protonen und Elektronen, die ihre eigene Bewegung haben und auf verschiedene Weise elektrische Ströme erzeugen.
Ein sehr vereinfachtes Modell nimmt das Elektron in einer Kreisbahn um den Kern an, die aus Protonen und Neutronen besteht und so eine winzige Stromschleife bildet. Jeder Schleife ist eine Vektorgröße zugeordnet, die als "magnetisches Orbitalmoment" bezeichnet wird und deren Intensität sich aus dem Produkt des Stroms und der von der Schleife bestimmten Fläche ergibt: dem Bohr-Magneton.
Natürlich hängt in dieser kleinen Schleife der Strom von der Ladung des Elektrons ab. Da alle Substanzen in ihrem Inneren Elektronen enthalten, haben alle grundsätzlich die Möglichkeit, magnetische Eigenschaften auszudrücken. Allerdings tun es nicht alle.
Dies liegt daran, dass seine magnetischen Momente nicht ausgerichtet, sondern im Inneren zufällig angeordnet sind, so dass sich seine makroskopischen magnetischen Effekte aufheben.
Die Geschichte endet hier nicht. Das magnetische Momentprodukt der Elektronenbewegung um den Kern ist nicht die einzig mögliche Magnetismusquelle in dieser Größenordnung.
Das Elektron hat eine Art Rotationsbewegung um seine Achse. Es ist ein Effekt, der sich in einem intrinsischen Drehimpuls niederschlägt. Diese Eigenschaft wird als die Elektronenspin
Natürlich hat es auch ein damit verbundenes magnetisches Moment und es ist viel stärker als das Orbitalmoment. Tatsächlich ist der größte Beitrag zum magnetischen Nettomoment des Atoms durch den Spin, jedoch tragen beide magnetischen Momente: das der Translation plus das des intrinsischen Drehimpulses zum gesamten magnetischen Moment des Atoms bei.
Diese magnetischen Momente neigen dazu, sich bei Vorhandensein eines externen Magnetfelds auszurichten. Und sie tun es auch mit den Feldern, die durch benachbarte Momente im Material erzeugt werden.
Heute paaren sich Elektronen normalerweise in Atomen mit vielen Elektronen. Zwischen Elektronen mit entgegengesetztem Spin bilden sich Paare, wodurch sich das magnetische Spinmoment aufhebt.
Der Spin trägt nur dann zum gesamten magnetischen Moment bei, wenn einer von ihnen ungepaart ist, dh das Atom eine ungerade Anzahl von Elektronen hat.
Was ist mit dem magnetischen Moment der Protonen im Kern? Nun, sie haben auch ein Spinmoment, aber es wird nicht angenommen, dass es wesentlich zum Magnetismus eines Atoms beiträgt. Dies liegt daran, dass das Spinmoment umgekehrt von der Masse abhängt und die Masse des Protons viel größer als die des Elektrons ist.
Die magnetischen Domänen
In Eisen, Kobalt und Nickel, der Triade von Elementen mit großer magnetischer Reaktion, ist das von den Elektronen erzeugte Nettospinmoment nicht Null. In diesen Metallen sind die Elektronen im 3d-Orbital die äußersten die zum magnetischen Nettomoment beitragen. Deshalb gelten solche Materialien als ferromagnetisch.
Dieses individuelle magnetische Moment jedes Atoms reicht jedoch nicht aus, um das Verhalten ferromagnetischer Materialien zu erklären.
In stark magnetischen Materialien befinden sich Bereiche, sogenannte magnetische Domänen , deren Ausdehnung zwischen 10 -4 und 10 -1 cm variieren kann und die Milliarden von Atomen enthalten. In diesen Regionen werden die Nettospinmomente benachbarter Atome eng gekoppelt.
Wenn sich ein Material mit magnetischen Domänen einem Magneten nähert, richten sich die Domänen zueinander aus, wodurch der magnetische Effekt verstärkt wird.
Dies liegt daran, dass Domänen wie Stabmagnete Magnetpole haben, die gleichermaßen als Nord und Süd bezeichnet werden, so dass sich Pole abstoßen und entgegengesetzte Pole anziehen.
Wenn sich die Domänen mit dem externen Feld ausrichten, gibt das Material Rissgeräusche ab, die durch geeignete Verstärkung zu hören sind.
Dieser Effekt kann beobachtet werden, wenn ein Magnet die Weicheisennägel anzieht und diese sich wiederum wie Magnete verhalten, die andere Nägel anziehen.
Magnetische Domänen sind keine statischen Grenzen innerhalb des Materials. Seine Größe kann verändert werden, indem das Material gekühlt oder erhitzt und es auch der Einwirkung externer Magnetfelder ausgesetzt wird.
Das Wachstum der Domain ist jedoch nicht unbegrenzt. In dem Moment, in dem es nicht mehr möglich ist, sie auszurichten, wird gesagt, dass der Sättigungspunkt des Materials erreicht wurde. Dieser Effekt spiegelt sich in den folgenden Hysteresekurven wider.
Das Erhitzen des Materials führt zu einem Verlust der Ausrichtung der magnetischen Momente. Die Temperatur, bei der die Magnetisierung vollständig verloren geht, hängt von der Art des Materials ab. Bei einem Stabmagneten geht sie normalerweise bei etwa 770 ° C verloren.
Sobald der Magnet entfernt ist, geht die Magnetisierung der Nägel aufgrund der jederzeit vorhandenen thermischen Bewegung verloren. Es gibt aber auch andere Verbindungen, die permanent magnetisiert sind, weil sie spontan ausgerichtete Domänen haben.
Magnetische Domänen können beobachtet werden, wenn ein flacher Bereich aus nicht magnetisiertem ferromagnetischem Material wie Weicheisen sehr gut geschnitten und poliert wird. Sobald dies erledigt ist, wird es mit Pulver oder feinen Eisenspänen bestreut.
Unter dem Mikroskop wird beobachtet, dass die Chips auf den mineralbildenden Bereichen mit einer sehr genau definierten Orientierung gruppiert sind, die den magnetischen Domänen des Materials folgen.
Der Unterschied im Verhalten zwischen verschiedenen magnetischen Materialien ist auf das Verhalten der Domänen in ihnen zurückzuführen.
Magnetische Hysterese
Die magnetische Hysterese ist eine Eigenschaft, die nur Materialien mit hoher magnetischer Permeabilität besitzen. Es ist in paramagnetischen oder diamagnetischen Materialien nicht vorhanden.
Es repräsentiert die Wirkung eines angelegten externen Magnetfelds, das als H bezeichnet wird, auf die magnetische Induktion B eines ferromagnetischen Metalls während eines Magnetisierungs- und Entmagnetisierungszyklus. Das gezeigte Diagramm wird als Hysteresekurve bezeichnet.
Ferromagnetischer Hysteresezyklus
Anfangs gibt es am Punkt O kein angelegtes Feld H oder keine magnetische Antwort B , aber wenn die Intensität von H zunimmt , nimmt die Induktion B progressiv zu, bis die erwartete Sättigungsgröße B s am Punkt A erreicht ist.
Jetzt wird die Intensität von H progressiv verringert, bis sie 0 wird, wodurch wir Punkt C erreichen, jedoch verschwindet die magnetische Antwort des Materials nicht, wobei eine remanente Magnetisierung beibehalten wird , die durch den Wert B r angezeigt wird . Dies bedeutet, dass der Prozess nicht reversibel ist.
Von dort nimmt die Intensität von H zu, jedoch mit umgekehrter Polarität (negatives Vorzeichen), so dass die remanente Magnetisierung am Punkt D aufgehoben wird. Der notwendige Wert von H wird als H c bezeichnet und als Koerzitivfeld bezeichnet .
Die Größe von H nimmt zu, bis es wieder den Sättigungswert bei E erreicht, und sofort nimmt die Intensität von H ab, bis es 0 erreicht, aber es bleibt eine remanente Magnetisierung mit einer Polarität entgegengesetzt zu der zuvor beschriebenen am Punkt F.
Nun wird die Polarität von H wieder umgekehrt und seine Größe erhöht, bis die magnetische Reaktion des Materials am Punkt G aufgehoben wird. Auf dem Weg GA wird seine Sättigung wieder erhalten. Aber das Interessante ist, dass Sie nicht über den ursprünglichen Pfad dorthin gekommen sind, der durch die roten Pfeile angezeigt wird.
Magnetisch harte und weiche Materialien: Anwendungen
Weicheisen ist leichter zu magnetisieren als Stahl, und das Gewindeschneiden des Materials erleichtert die Ausrichtung der Domänen weiter.
Wenn ein Material leicht zu magnetisieren und zu entmagnetisieren ist, wird es als magnetisch weich bezeichnet , und wenn das Gegenteil der Fall ist, handelt es sich natürlich um ein magnetisch hartes Material . In letzterem sind die magnetischen Domänen klein, während sie in ersterem groß sind, so dass sie wie oben beschrieben durch das Mikroskop gesehen werden können.
Die von der Hysteresekurve umschlossene Fläche ist ein Maß für die Energie, die zum Magnetisieren - Entmagnetisieren des Materials erforderlich ist. Die Abbildung zeigt zwei Hysteresekurven für zwei verschiedene Materialien. Der linke ist magnetisch weich, während der rechte hart ist.
Ein weiches ferromagnetisches Material hat ein kleines Koerzitivfeld H c und eine hohe, schmale Hysteresekurve. Es ist ein geeignetes Material, um in den Kern eines elektrischen Transformators eingebracht zu werden. Beispiele hierfür sind Weicheisen- und Silizium-Eisen- sowie Eisen-Nickel-Legierungen, die für Kommunikationsgeräte nützlich sind.
Andererseits sind magnetisch harte Materialien nach dem Magnetisieren schwer zu entmagnetisieren, wie dies bei Alnico-Legierungen (Aluminium-Nickel-Kobalt) und Seltenerdlegierungen der Fall ist, mit denen Permanentmagnete hergestellt werden.
Verweise
- Eisberg, R. 1978. Quantenphysik. Limusa. 557-577.
- Jung, Hugh. 2016. Sears-Zemanskys Universitätsphysik mit moderner Physik. 14. Aufl. Pearson. 943.
- Zapata, F. (2003). Untersuchung von Mineralogien im Zusammenhang mit der zum Guafita-Feld gehörenden Guafita 8x-Ölquelle (Apure State) unter Verwendung von Mossbauer-Messungen der magnetischen Suszeptibilität und Spektroskopie. Diplomarbeit. Zentrale Universität von Venezuela.