Proprietà dei materiali ferromagnetici e loro applicazione nella tecnologia

Attorno a un filo con una corrente elettrica, anche nel vuoto, c'è campo magnetico… E se una sostanza viene introdotta in questo campo, allora il campo magnetico cambierà, poiché qualsiasi sostanza in un campo magnetico è magnetizzata, cioè acquisisce un momento magnetico maggiore o minore, definito come la somma dei momenti magnetici elementari associati parti che compongono quella sostanza.

L'essenza del fenomeno sta nel fatto che le molecole di molte sostanze hanno momenti magnetici propri, perché all'interno delle molecole si muovono cariche che formano correnti circolari elementari e sono quindi accompagnate da campi magnetici. Se alla sostanza non viene applicato alcun campo magnetico esterno, i momenti magnetici delle sue molecole sono orientati in modo casuale nello spazio e il campo magnetico totale (così come il momento magnetico totale delle molecole) di tale campione sarà zero.

Se il campione viene introdotto in un campo magnetico esterno, allora l'orientamento dei momenti magnetici elementari delle sue molecole acquisirà una direzione preferenziale sotto l'influenza del campo esterno. Di conseguenza, il momento magnetico totale della sostanza non sarà più zero, poiché i campi magnetici delle singole molecole in nuove condizioni non si compensano a vicenda. Pertanto, la sostanza sviluppa un campo magnetico B.

Se le molecole di una sostanza inizialmente non hanno momenti magnetici (ci sono tali sostanze), quando un tale campione viene introdotto in un campo magnetico, vengono indotte correnti circolari in esso, cioè le molecole acquisiscono momenti magnetici, che di nuovo, di conseguenza, porta alla comparsa di campi magnetici totali B.

La maggior parte delle sostanze conosciute sono debolmente magnetizzate in un campo magnetico, ma ci sono anche sostanze che si distinguono per forti proprietà magnetiche, sono chiamate ferromagneti… Esempi di ferromagneti: ferro, cobalto, nichel e loro leghe.

I ferromagneti includono solidi che a basse temperature hanno una magnetizzazione spontanea (spontanea) che varia in modo significativo sotto l'influenza di un campo magnetico esterno, deformazione meccanica o temperatura variabile. Ecco come si comportano acciaio e ferro, nichel e cobalto e leghe. La loro permeabilità magnetica è migliaia di volte superiore a quella del vuoto.

Per questo motivo, nell'ingegneria elettrica, per condurre il flusso magnetico e per convertire l'energia, viene tradizionalmente utilizzato nuclei magnetici in materiali ferromagnetici.

In tali sostanze, le proprietà magnetiche dipendono dalle proprietà magnetiche dei portatori elementari di magnetismo: elettroni che si muovono all'interno degli atomi… Naturalmente, gli elettroni che si muovono in orbite negli atomi attorno ai loro nuclei formano correnti circolari (dipoli magnetici). Ma in questo caso, anche gli elettroni ruotano attorno al proprio asse, creando momenti magnetici di spin, che svolgono semplicemente il ruolo principale nella magnetizzazione dei ferromagneti.

Le proprietà ferromagnetiche si manifestano solo quando la sostanza è in uno stato cristallino. Inoltre, queste proprietà dipendono fortemente dalla temperatura, poiché il movimento termico impedisce l'orientamento stabile dei momenti magnetici elementari. Quindi, per ogni ferromagnete, viene determinata una temperatura specifica (punto di Curie) alla quale la struttura di magnetizzazione viene distrutta e la sostanza diventa un paramagnete. Ad esempio, per il ferro è di 900 ° C.

Anche in campi magnetici deboli, i ferromagneti possono essere magnetizzati fino alla saturazione. Inoltre, la loro permeabilità magnetica dipende dall'entità del campo magnetico esterno applicato.

All'inizio del processo di magnetizzazione induzione magnetica B diventa più forte in un ferromagnetico, il che significa permeabilità magnetica è fantastico Ma quando si verifica la saturazione, aumentare ulteriormente l'induzione magnetica del campo esterno non porta più ad un aumento del campo magnetico del ferromagnete, e quindi la permeabilità magnetica del campione è diminuita, ora tende a 1.

Una proprietà importante dei ferromagneti è resto… Supponiamo che un'asta ferromagnetica venga posta nella bobina e aumentando la corrente nella bobina venga portata in saturazione. Quindi la corrente nella bobina è stata disattivata, ovvero il campo magnetico della bobina è stato rimosso.

Si potrà notare che l'asta non si smagnetizza allo stato in cui si trovava all'inizio, il suo campo magnetico sarà maggiore, cioè ci sarà un'induzione residua. L'asta è stata ruotata in questo modo ad un magnete permanente.

Per smagnetizzare di nuovo un'asta di questo tipo, sarà necessario applicare ad essa un campo magnetico esterno di verso opposto e con un'induzione pari all'induzione residua. Si chiama il valore del modulo di induzione del campo magnetico che deve essere applicato ad un ferromagnete magnetizzato (magnete permanente) per smagnetizzarlo forza coercitiva.

Viene chiamato il fenomeno quando durante la magnetizzazione di un ferromagnete l'induzione in esso è in ritardo rispetto all'induzione del campo magnetico applicato isteresi magnetica (Vedere - Cos'è l'isteresi).

Le curve di magnetizzazione (cicli di isteresi) per diversi materiali ferromagnetici differiscono l'una dall'altra.

Alcuni materiali hanno ampi cicli di isteresi: si tratta di materiali con un'elevata magnetizzazione residua, sono chiamati materiali magneticamente duri. I materiali magnetici duri vengono utilizzati nella produzione di magneti permanenti.

Al contrario, i materiali magnetici morbidi hanno un anello di isteresi stretto, una bassa magnetizzazione residua e sono facilmente magnetizzabili in campi deboli. Si tratta di materiali magnetici morbidi che vengono utilizzati come nuclei magnetici di trasformatori, statori di motori, ecc.

I ferromagneti svolgono oggi un ruolo molto importante nella tecnologia. I materiali magnetici morbidi (ferriti, acciaio elettrico) sono utilizzati nei motori e generatori elettrici, nei trasformatori e nelle bobine d'arresto, nonché nell'ingegneria radio. Di cui sono fatte le ferriti nuclei dell'induttore.

I materiali magnetici duri (ferriti di bario, cobalto, stronzio, neodimio-ferro-boro) vengono utilizzati per realizzare magneti permanenti. I magneti permanenti sono ampiamente utilizzati negli strumenti elettrici e acustici, nei motori e generatori, nelle bussole magnetiche, ecc.