מאפיינים של חומרים פרומגנטיים ויישומם בטכנולוגיה

מסביב לחוט עם זרם חשמלי, אפילו בוואקום, יש שדה מגנטי...ואם חומר יוכנס לשדה זה, אז השדה המגנטי ישתנה, מכיוון שכל חומר בשדה מגנטי ממוגנט, כלומר, הוא רוכש מומנט מגנטי גדול או קטן יותר, המוגדר כסכום המומנטים המגנטיים היסודיים הקשורים חלקים המרכיבים את החומר הזה.

מהות התופעה נעוצה בעובדה שלמולקולות של חומרים רבים יש מומנטים מגנטיים משלהן, מכיוון שמטענים נעים בתוך המולקולות, היוצרות זרמים מעגליים יסודיים ולכן מלווים בשדות מגנטיים. אם לא מופעל שדה מגנטי חיצוני על החומר, המומנטים המגנטיים של המולקולות שלו מכוונים באופן אקראי בחלל, והשדה המגנטי הכולל (כמו גם המומנט המגנטי הכולל של המולקולות) של דגימה כזו יהיה אפס.

אם הדגימה מוכנסת לשדה מגנטי חיצוני, אזי הכיוון של המומנטים המגנטיים היסודיים של המולקולות שלו יקבל כיוון מועדף בהשפעת השדה החיצוני. כתוצאה מכך, המומנט המגנטי הכולל של החומר כבר לא יהיה אפס, שכן השדות המגנטיים של מולקולות בודדות בתנאים חדשים אינם מפצים זה את זה. כך, החומר מפתח שדה מגנטי B.

אם למולקולות של חומר אין בתחילה מומנטים מגנטיים (יש חומרים כאלה), אז כאשר מדגם כזה מוכנס לשדה מגנטי, מושרים בו זרמים מעגליים, כלומר, המולקולות רוכשות מומנטים מגנטיים, אשר שוב, כתוצאה מכך, מוביל להופעת סך שדות מגנטיים B.

רוב החומרים המוכרים ממוגנטים בצורה חלשה בשדה מגנטי, אך ישנם גם חומרים הנבדלים בתכונות מגנטיות חזקות, הם נקראים פרומגנטים... דוגמאות לפרומגנטים: ברזל, קובלט, ניקל וסגסוגותיהם.

פרומגנטים כוללים מוצקים שבטמפרטורות נמוכות יש להם מגנטיזציה ספונטנית (ספונטנית) המשתנה משמעותית בהשפעת שדה מגנטי חיצוני, עיוות מכני או שינוי טמפרטורה. כך מתנהגים פלדה וברזל, ניקל וקובלט וסגסוגות. החדירות המגנטית שלהם גבוהה אלפי מונים מזו של ואקום.

מסיבה זו, בהנדסת חשמל, להובלת שטף מגנטי ולהמרת אנרגיה, הוא משמש באופן מסורתי ליבות מגנטיות העשויות מחומרים פרומגנטיים.

בחומרים כאלה, התכונות המגנטיות תלויות בתכונות המגנטיות של הנשאים היסודיים של המגנטיות - אלקטרונים נעים בתוך אטומים... כמובן, אלקטרונים הנעים במסלולים באטומים סביב הגרעינים שלהם יוצרים זרמים מעגליים (דיפולים מגנטיים). אבל במקרה זה, האלקטרונים גם מסתובבים סביב הצירים שלהם, ויוצרים רגעי ספין מגנטיים, שפשוט משחקים את התפקיד העיקרי במגנטיזציה של פרומגנטים.

תכונות פרומגנטיות באות לידי ביטוי רק כאשר החומר נמצא במצב גבישי. בנוסף, תכונות אלו תלויות מאוד בטמפרטורה, שכן תנועה תרמית מונעת את הכיוון היציב של המומנטים המגנטיים היסודיים. לכן, עבור כל פרומגנט, נקבעת טמפרטורה ספציפית (נקודת קירי) שבה מבנה המגנטיזציה נהרס והחומר הופך לפראמגנט. לדוגמה, עבור ברזל זה 900 מעלות צלזיוס.

אפילו בשדות מגנטיים חלשים, ניתן למגנט פרומגנטים לרוויה. יתר על כן, החדירות המגנטית שלהם תלויה בגודל השדה המגנטי החיצוני המופעל.

בתחילת תהליך המגנטיזציה אינדוקציה מגנטית ב מתחזק בפרומגנטי, כלומר חדירות מגנטית זה נהדר. אבל כאשר מתרחשת רוויה, הגדלת האינדוקציה המגנטית של השדה החיצוני עוד יותר לא מובילה לעלייה בשדה המגנטי של הפרומגנט, ולכן החדירות המגנטית של המדגם ירדה, כעת היא נוטה ל-1.

תכונה חשובה של פרומגנטים היא היתרה… נניח שמוט פרומגנטי מונח בסליל ועל ידי הגדלת הזרם בסליל הוא מובא לרוויה. ואז הזרם בסליל כבה, כלומר, השדה המגנטי של הסליל הוסר.

ניתן יהיה להבחין שהמוט אינו ממוגנט למצב בו היה בהתחלה, השדה המגנטי שלו יהיה גדול יותר, כלומר תהיה אינדוקציה שיורית. המוט היה מסובב בצורה זו למגנט קבוע.

כדי לבטל מגנטיות של מוט כזה בחזרה, יהיה צורך להחיל עליו שדה מגנטי חיצוני בכיוון ההפוך ועם אינדוקציה השווה לאינדוקציה השיורית. הערך של מודול השראת השדה המגנטי שיש להחיל על פרומגנט (מגנט קבוע) ממוגנט על מנת לבטל אותו נקרא כוח כפייה.

התופעה שבה בזמן מגנטיזציה של פרומגנט האינדוקציה בו מפגרת אחרי השראת השדה המגנטי המופעל נקראת היסטרזה מגנטית (ראה - מהי היסטרזיס).

עקומות מגנטיזציה (לולאות היסטרזיס) עבור חומרים פרומגנטיים שונים נבדלות זו מזו.

לחומרים מסוימים יש לולאות היסטרזיס רחבות - אלו חומרים בעלי מגנטיזציה שיורית גבוהה, הם נקראים חומרים קשים מבחינה מגנטית. חומרים מגנטיים קשים משמשים לייצור מגנטים קבועים.

להיפך, לחומרים מגנטיים רכים יש לולאת היסטרזיס צרה, מגנטיזציה שיורית נמוכה, והם מתמגנטים בקלות בשדות חלשים. מדובר בחומרים מגנטיים רכים המשמשים כליבות מגנטיות של שנאים, סטטורים מנועים וכו'.

לפרומגנטים תפקיד חשוב מאוד בטכנולוגיה כיום. חומרים מגנטיים רכים (פריטים, פלדה חשמלית) משמשים במנועים חשמליים ובגנרטורים, בשנאים ובמשנקים, וכן בהנדסת רדיו. פריטים עשויים ליבות משרן.

חומרים מגנטיים קשים (פריטים של בריום, קובלט, סטרונציום, ניאודימיום-ברזל-בורון) משמשים לייצור מגנטים קבועים. מגנטים קבועים נמצאים בשימוש נרחב במכשירים חשמליים ואקוסטיים, במנועים ובגנרטורים, במצפנים מגנטיים וכו'.