Matériaux, applications et exemples du ferromagnétisme

Il Ferromagnétisme C'est la propriété qui donne à certaines substances une réponse magnétique intense et permanente. De nature, il y a cinq éléments avec cette propriété: fer, cobalt, nickel, gadolinio et disposio, ces dernières terres rares.

En présence d'un champ magnétique externe, comme celui produit par un aimant naturel ou un électro-aimant, une substance réagit de manière caractéristique, selon sa configuration interne. L'ampleur qui quantifie cette réponse est la perméabilité magnétique.

Aimants formant un pont. Source: Pixabay

La perméabilité magnétique est une quantité sans dimension donnée par le quotient entre l'intensité du champ magnétique généré à l'intérieur du matériau et celui du champ magnétique appliqué à l'extérieur.

Lorsque cette réponse est bien supérieure à 1, le matériau est classé comme ferromagnétique. D'un autre côté, si la perméabilité n'est pas beaucoup supérieure à 1, il est considéré que la réponse magnétique est plus faible, ce sont des matériaux paramagnétiques.

En fer, la perméabilité magnétique est de l'ordre de 10⁴. Cela signifie que le champ à l'intérieur du fer est environ 10000 fois supérieur au champ qui s'applique à l'extérieur. Ce qui donne une idée de la puissance de la réponse magnétique de ce minéral.

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Comment la réponse magnétique provient-elle à l'intérieur des substances?

Le magnétisme est connu est un effet associé au mouvement des charges électriques. C'est précisément le courant électrique. D'où proviennent les propriétés magnétiques de l'aimant de barre à partir de laquelle une note a été frappée au réfrigérateur?

Le matériau de l'aimant, ainsi que toute autre substance contient des protons et des électrons à l'intérieur, qui ont leur propre mouvement et génèrent des courants électriques de plusieurs manières.

Un modèle très simplifié suppose l'électron en orbite circulaire autour du noyau formé par des protons et des neutrons, formant ainsi une minuscule spase de courant de courant. Chaque spase a associé une ampleur vectorielle appelée «moment magnétique orbital», dont l'intensité est donnée par le produit du courant et la zone déterminée par la boucle: le Bohr Magneton.

Bien sûr, dans ce petit morceau, le courant dépend de la charge d'électrons. Étant donné que toutes les substances contiennent des électrons à l'intérieur, ils ont tous la possibilité d'exprimer des propriétés magnétiques. Cependant, tous ne font pas.

En effet.

L'histoire ne se termine pas ici. Le produit du moment magnétique du mouvement d'électrons autour du noyau n'est pas la seule source possible de magnétisme à cette échelle.

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L'électron a une sorte de mouvement de rotation autour de son axe. C'est un effet qui se traduit par un moment angulaire intrinsèque. Cette propriété est appelée rotation de l'électron.

Naturellement, il a également un moment magnétique associé et est beaucoup plus intense que le moment orbital. En fait, la plus grande contribution au moment magnétique net de l'atome est à travers le spin, malgré les deux moments magnétiques: celui de la traduction plus le moment angulaire intrinsèque, contribue au moment magnétique total de l'atome.

Ces moments magnétiques sont ceux qui ont tendance à s'aligner en présence d'un champ magnétique externe. Et ils les font aussi avec les champs créés par des moments voisins dans le matériel.

Maintenant, les électrons forment généralement des couples en atomes avec de nombreux électrons. Les couples se forment entre les électrons avec un spin opposé, ce qui entraîne un moment magnétique de Spin.

La seule façon dont le spin contribue au moment magnétique total est que quelqu'un est disparu, c'est-à-dire que l'atome a un nombre impair d'électrons.

Il vaut la peine de demander ce qu'il y a sur le moment magnétique des protons dans le noyau. Parce qu'ils ont également un temps de rotation, mais il n'est pas considéré comme contribuant de manière significative au magnétisme d'un atome. C'est parce que le moment de spin dépend inversement de la masse et de la masse du proton est beaucoup plus grande que celle de l'électron.

Domaines magnétiques

Dans le fer, le cobalt et le nickel, la triade d'éléments avec une grande réponse magnétique, le moment net de spin produit par les électrons n'est pas nul ... dans ces métaux, les électrons de l'orbitale 3D, la plus externe contribue au moment magnétique net. C'est pourquoi ces matériaux sont considérés comme ferromagnétiques.

Cependant, ce moment magnétique individuel de chaque atome n'est pas suffisant pour expliquer le comportement des matériaux ferromagnétiques.

À l'intérieur des matériaux fortement magnétiques, il y a des régions appelées Domaines magnétiques, dont l'extension peut aller de 10^-4 et 10^-1 CM et qui contiennent des milliards d'atomes. Dans ces régions, les moments de spin net des atomes voisins gèrent.

Lorsqu'un possesseur de domaine magnétique s'approche d'un aimant, les domaines s'alignent les uns avec les autres, intensifiant l'effet magnétique.

Il est dû au fait que les domaines, comme les aimants de barre, ont des poteaux magnétiques, également indiqués au nord et au sud, de sorte que les pôles égaux se reproduisent et les opposés attirent.

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Comme les domaines s'alignent sur le champ externe, le matériau émet des grincements qui peuvent être entendus par une amplification appropriée.

Cet effet peut être vu lorsqu'un aimant attire des ongles de fer sucrés et ceux-ci se comportent à leur tour comme des aimants attirant d'autres ongles.

Les domaines magnétiques ne sont pas des frontières statiques établies dans le matériau. Sa taille peut être modifiée en refroidissant ou en chauffant le matériau, et en le soumettant également à l'action des champs magnétiques externes.

Cependant, la croissance du domaine n'est pas illimitée. Au moment où il n'est plus possible de les aligner, il est dit que le point de saturation des matériaux a été atteint. Cet effet se reflète dans les courbes d'hystérésis qui apparaissent plus tard.

Le chauffage du matériau provoque la perte d'alignement des moments magnétiques. La température à laquelle la magnétisation est complètement perdue en fonction du type de matériau, pour un aimant à barre, environ 770 º C est généralement perdu.

Une fois que l'aimant a été retiré, l'aimantation des ongles est perdue en raison de l'agitation thermique présente à tout moment. Mais il existe d'autres composés qui ont une magnétisation permanente, pour avoir des domaines alignés spontanément.

Des domaines magnétiques peuvent être observés lorsqu'un matériau ferromagnétique plat est très bien coupé et poli. Une fois que cela est saupoudré de poussière ou de fichiers en fer fin.

Au microscope, il est observé que les puces sont regroupées sur les régions de formation de minéraux avec une orientation très bien définie, suivant les domaines magnétiques du matériau.

La différence de comportement entre divers matériaux magnétiques est due à la façon dont les domaines se comportent.

Hystérésis magnétique

L'hystérésis magnétique est une caractéristique que seuls les matériaux avec une perméabilité magnétique élevée ont. Ne présentez pas les matériaux paramagnétiques ou diamagnétiques.

Représente l'effet d'un champ magnétique externe appliqué, qui est désigné comme H À propos de l'induction magnétique B d'un métal ferromagnétique pendant un cycle d'immanation et de désimmanation. Le graphique indiqué a le nom de la courbe d'hystérésis.

Cycle d'hystérésie ferromagnétique

Initialement au point ou il n'y a pas de champ appliqué H Aucune réponse magnétique B, mais comme l'intensité de H, Induction B augmente progressivement jusqu'à ce qu'il atteigne l'ampleur de la saturation B_s Au point A, qui est attendu.

Maintenant l'intensité de H jusqu'à ce qu'il soit fait, avec cela, il est atteint au point C, mais la réponse magnétique du matériau ne disparaît pas, en conservant un magnétisation restante indiqué par la valeur B_r. Signifie que le processus n'est pas réversible.

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De là, l'intensité de H Augmenter mais avec polarité inversée (signe négatif), de sorte que la magnétisation restante est annulée au point D. La valeur nécessaire de H Il est désigné comme H_c et recevoir le nom de champ coercitif.

L'ampleur de H augmente à la valeur de saturation en e et immédiatement l'intensité de H Il diminue jusqu'à ce qu'il atteigne 0, mais il y a une magnétisation restante avec la polarité opposée à celle décrite ci-dessus, au point F.

Maintenant la polarité de H À nouveau et son ampleur est augmentée pour annuler la réponse magnétique du matériau au point g. Après la voie, sa saturation reprend. Mais ce qui est intéressant, c'est qu'il n'y est pas arrivé sur la route d'origine indiquée par les flèches rouges.

Matériaux magnétiquement durs et doux: applications

Le fer sucré est plus facile à magnétiser que l'acier et à appuyer sur le matériau, l'alignement des domaines est plus facilité.

Lorsqu'un matériau est facile à magnétiser et à le plier, on dit qu'il est magnétiquement doux, Et bien sûr, si l'inverse se produit est un matériau magnétiquement dur. Dans ce dernier, les domaines magnétiques sont petits, tandis que dans les premiers, ils sont grands, donc ils peuvent être vus à travers le microscope, comme détaillé ci-dessus.

La zone enfermée par la courbe d'hystérésis est une mesure de l'énergie nécessaire pour magnétiser - plier le matériau. Dans la figure, deux courbes d'hystérésis sont appréciées pour deux matériaux différents. Celui à gauche est magnétiquement doux, tandis que celui à droite est dur.

Un matériau ferromagnétique doux a un champ coercitif H_c petite courbe d'hystérésis étroite et étroite. C'est un matériau approprié pour le placer dans le noyau d'un transformateur électrique. Exemple d'entre eux sont des alliages sucrés en fer et en silicium et en nickel, utile pour les équipements de communication.

D'un autre côté, les matériaux magnétiquement durs sont difficiles à disparaître une fois imaginés, comme avec les alliages alnico (aluminium-nickel-colto) et les alliages de terres rares avec lesquels les aimants permanents sont fabriqués.

Les références

1. Eisberg, R. 1978.  Physique quantique.  Limusa. 557 -577.
2. Jeune, Hugh. 2016. La physique universitaire de Sears-Zansky avec la physique moderne. 14e ed. Pearson. 943.
3. Zapata, f. (2003). Étude des minéralogies associées au puits d'huile de Guafita 8x appartenant au Guafita Campo (État d'Apure) par des mesures de la sensibilité magnétique et de Mossbauer. Thèse de diplôme. Université centrale du Venezuela.