FERROMAGNETISME: MATERIALEN, TOEPASSINGEN EN VOORBEELDEN - FYSIEK - 2025

Het ferromagnetisme is de eigenschap die sommige stoffen een intense en permanente magnetische respons geeft. In de natuur zijn er vijf elementen met deze eigenschap: ijzer, kobalt, nikkel, gadolinium en dysprosium, de laatste zeldzame aarden.

In de aanwezigheid van een extern magnetisch veld, zoals dat geproduceerd door een natuurlijke magneet of een elektromagneet, reageert een stof op een karakteristieke manier, in overeenstemming met zijn interne configuratie. De grootte die deze respons kwantificeert, is de magnetische permeabiliteit.

Magneten die een brug vormen. Bron: Pixabay

Magnetische permeabiliteit is een dimensieloze grootheid die wordt bepaald door het quotiënt tussen de intensiteit van het magnetische veld dat in het materiaal wordt gegenereerd en dat van het magnetische veld dat extern wordt aangelegd.

Als dit antwoord veel groter is dan 1, wordt het materiaal geclassificeerd als ferromagnetisch. Aan de andere kant, als de permeabiliteit niet veel groter is dan 1, wordt de magnetische respons als zwakker beschouwd, het zijn paramagnetische materialen.

IJzer de magnetische permeabiliteit in de orde van 10 ⁴ . Dit betekent dat het veld in het strijkijzer ongeveer 10.000 keer groter is dan het veld dat extern wordt aangelegd. Dat geeft een idee van hoe krachtig de magnetische reactie van dit mineraal is.

Hoe ontstaat de magnetische reactie in stoffen?

Magnetisme is bekend als een effect dat verband houdt met de beweging van elektrische ladingen. Dat is precies waaruit de elektrische stroom bestaat. Waar komen dan de magnetische eigenschappen vandaan van de staafmagneet waarmee een briefje op de koelkast is geplakt?

Het materiaal van de magneet, en ook elke andere substantie, bevat protonen en elektronen, die hun eigen beweging hebben en op verschillende manieren elektrische stromen genereren.

Een zeer vereenvoudigd model gaat ervan uit dat het elektron in een cirkelvormige baan rond de kern bestaat die uit protonen en neutronen bestaat en zo een kleine stroomlus vormt. Elke lus is geassocieerd met een vectormagnitude genaamd "orbitaal magnetisch moment", waarvan de intensiteit wordt bepaald door het product van de stroom en het gebied bepaald door de lus: de Bohr magneton.

In deze kleine lus hangt de stroom natuurlijk af van de lading van het elektron. Omdat alle stoffen elektronen in hun binnenste bevatten, hebben ze in principe allemaal de mogelijkheid om magnetische eigenschappen tot uitdrukking te brengen. Ze doen dat echter niet allemaal.

Dit komt doordat de magnetische momenten niet zijn uitgelijnd, maar willekeurig binnenin zijn gerangschikt, zodat de macroscopische magnetische effecten worden opgeheven.

Het verhaal houdt hier niet op. Het magnetische momentproduct van de elektronenbeweging rond de kern is niet de enige mogelijke bron van magnetisme op deze schaal.

Het elektron heeft een soort rotatiebeweging om zijn as. Het is een effect dat zich vertaalt in een intrinsiek impulsmoment. Deze eigenschap wordt het elektron draaien .

Het heeft natuurlijk ook een bijbehorend magnetisch moment en het is veel sterker dan het omloopmoment. In feite is de grootste bijdrage aan het netto magnetische moment van het atoom door de spin, maar beide magnetische momenten: die van de translatie plus die van het intrinsieke impulsmoment, dragen bij aan het totale magnetische moment van het atoom.

Deze magnetische momenten zijn degenen die de neiging hebben om uit te lijnen in de aanwezigheid van een extern magnetisch veld. En ze doen het ook met de velden die ontstaan ​​door naburige momenten in het materiaal.

Nu vormen elektronen gewoonlijk een paar in atomen met veel elektronen. Paren worden gevormd tussen elektronen met tegengestelde spin, waardoor het magnetische spinmoment wordt opgeheven.

De enige manier waarop de spin bijdraagt ​​aan het totale magnetische moment is als een van hen ongepaard is, dat wil zeggen dat het atoom een ​​oneven aantal elektronen heeft.

Hoe zit het met het magnetische moment van protonen in de kern? Welnu, ze hebben ook een draaimoment, maar het wordt niet geacht significant bij te dragen aan het magnetisme van een atoom. Dit komt doordat het spinmoment omgekeerd evenredig is met massa en de massa van het proton veel groter is dan die van het elektron.

De magnetische domeinen

In ijzer, kobalt en nikkel, de triade van elementen met een grote magnetische respons, is het netto spinmoment geproduceerd door de elektronen niet nul. In deze metalen zijn de elektronen in de 3d orbitaal, de buitenste, de die bijdragen aan het netto magnetische moment. Dat is de reden waarom dergelijke materialen als ferromagnetisch worden beschouwd.

Dit individuele magnetische moment van elk atoom is echter niet voldoende om het gedrag van ferromagnetische materialen te verklaren.

Binnen sterk magnetische materialen bevinden zich gebieden die magnetische domeinen worden genoemd , waarvan de omvang kan variëren tussen ^10-4 en ^10-1 cm en die miljarden atomen bevatten. In deze regio's worden de netto spinmomenten van naburige atomen nauw met elkaar gekoppeld.

Wanneer een materiaal met magnetische domeinen een magneet nadert, komen de domeinen met elkaar in lijn, waardoor het magnetische effect wordt versterkt.

Het is omdat domeinen, zoals staafmagneten, magnetische polen hebben, gelijkelijk aangeduid met Noord en Zuid, zodat dezelfde polen afstoten en tegenovergestelde polen elkaar aantrekken.

Terwijl de domeinen uitgelijnd zijn met het externe veld, zendt het materiaal krakende geluiden uit die door de juiste versterking kunnen worden gehoord.

Dit effect is te zien wanneer een magneet de zachte ijzeren nagels aantrekt en deze zich op hun beurt gedragen als magneten die andere nagels aantrekken.

Magnetische domeinen zijn geen statische grenzen die binnen het materiaal zijn vastgelegd. De grootte kan worden gewijzigd door het materiaal te koelen of te verwarmen en het ook te onderwerpen aan de werking van externe magnetische velden.

De groei van het domein is echter niet onbeperkt. Op het moment dat het niet meer mogelijk is om ze uit te lijnen, wordt gezegd dat het verzadigingspunt van het materiaal is bereikt. Dit effect wordt weerspiegeld in de hysteresiscurves hieronder.

Verhitting van het materiaal veroorzaakt verlies van uitlijning van de magnetische momenten. De temperatuur waarbij magnetisatie volledig verloren gaat, verschilt afhankelijk van het type materiaal, voor een staafmagneet gaat het meestal verloren rond de 770ºC.

Als de magneet eenmaal is verwijderd, gaat de magnetisatie van de nagels verloren door de te allen tijde aanwezige thermische beweging. Maar er zijn andere verbindingen die permanente magnetisatie hebben, omdat ze spontaan uitgelijnde domeinen hebben.

Magnetische domeinen kunnen worden waargenomen wanneer een vlak gebied van niet-gemagnetiseerd ferromagnetisch materiaal, zoals zacht ijzer, zeer goed is gesneden en gepolijst. Zodra dit is gebeurd, wordt het besprenkeld met poeder of fijn ijzervijlsel.

Onder de microscoop wordt waargenomen dat de chips gegroepeerd zijn op de mineraalvormende gebieden met een zeer goed gedefinieerde oriëntatie, volgens de magnetische domeinen van het materiaal.

Het verschil in gedrag tussen verschillende magnetische materialen is te wijten aan de manier waarop de domeinen zich daarin gedragen.

Magnetische hysterese

Magnetische hysterese is een kenmerk dat alleen materialen met een hoge magnetische permeabiliteit bezitten. Het is niet aanwezig in paramagnetische of diamagnetische materialen.

Het vertegenwoordigt het effect van een aangelegd extern magnetisch veld, dat wordt aangeduid als H, op de magnetische inductie B van een ferromagnetisch metaal tijdens een cyclus van magnetisatie en demagnetisatie. De weergegeven grafiek wordt een hysteresiscurve genoemd.

Ferromagnetische hysteresecyclus

Aanvankelijk punt O is er geen aangelegde veld H of magnetische respons B , maar de intensiteit van H toeneemt , de inductie B progressief toeneemt totdat de verzadigingsgrootte B _en punt A, die naar verwachting.

Nu wordt de intensiteit van H geleidelijk verlaagd tot het 0 wordt, waarmee we punt C bereiken, maar de magnetische respons van het materiaal verdwijnt niet, terwijl een remanente magnetisatie wordt behouden die wordt aangegeven door de waarde B _r . Het betekent dat het proces niet omkeerbaar is.

Van daaruit neemt de intensiteit van H toe maar met de polariteit omgekeerd (negatief teken), zodat de remanente magnetisatie wordt opgeheven bij punt D. De noodzakelijke waarde van H wordt aangeduid als H _c en wordt het coërcitieve veld genoemd .

De grootte van H neemt toe totdat het de verzadigingswaarde op E weer bereikt en onmiddellijk neemt de intensiteit van H af totdat het 0 bereikt, maar er blijft een remanente magnetisatie over met polariteit tegengesteld aan die eerder beschreven, op punt F.

Nu wordt de polariteit van H weer omgekeerd en wordt de grootte ervan vergroot totdat de magnetische respons van het materiaal op punt G wordt opgeheven. Volgend op het pad GA wordt de verzadiging weer verkregen. Maar het interessante is dat je daar niet bent gekomen via het oorspronkelijke pad aangegeven door de rode pijlen.

Magnetisch harde en zachte materialen: toepassingen

Zacht ijzer is gemakkelijker te magnetiseren dan staal, en door op het materiaal te tikken, wordt de uitlijning van de domeinen verder vergemakkelijkt.

Wanneer een materiaal gemakkelijk te magnetiseren en te demagnetiseren is, wordt gezegd dat het magnetisch zacht is , en als het tegenovergestelde gebeurt, is het natuurlijk een magnetisch hard materiaal . In de laatste zijn de magnetische domeinen klein, terwijl ze in de eerste groot zijn, zodat ze door de microscoop kunnen worden gezien, zoals hierboven beschreven.

Het gebied dat wordt omsloten door de hysteresiscurve is een maat voor de energie die nodig is om het materiaal te magnetiseren - demagnetiseren. De afbeelding toont twee hysterese-curven voor twee verschillende materialen. De linker is magnetisch zacht, terwijl de rechter hard is.

Een zacht ferromagnetisch materiaal heeft een klein coërcitief veld H _c en een hoge, smalle hysteresecurve. Het is een geschikt materiaal om in de kern van een elektrische transformator te plaatsen. Voorbeelden hiervan zijn zacht ijzer en silicium-ijzer- en ijzer-nikkellegeringen, nuttig voor communicatieapparatuur.

Anderzijds zijn magnetisch harde materialen moeilijk te demagnetiseren als ze eenmaal zijn gemagnetiseerd, zoals het geval is met alnico-legeringen (aluminium-nikkel-kobalt) en zeldzame-aardelegeringen waarmee permanente magneten worden gemaakt.

Referenties

1. Eisberg, R. 1978. Quantum Physics. Limusa. 557-577.
2. Jong, Hugh. 2016. Sears-Zemansky's University Physics with Modern Physics. 14e Ed. Pearson. 943.
3. Zapata, F. (2003). Studie van mineralogieën in verband met de Guafita 8x-oliebron behorende tot het Guafita-veld (Apure State) met behulp van Mossbauer magnetische gevoeligheid en spectroscopiemetingen. Afstudeerscriptie. Centrale Universiteit van Venezuela.