เฟอร์ริติก: วัสดุการใช้งานและตัวอย่าง - กายภาพ - 2025

ferromagnetismเป็นทรัพย์สินที่ให้สารบางชนิดที่รุนแรงและการตอบสนองถาวรแม่เหล็ก ในธรรมชาติมีห้าองค์ประกอบที่มีคุณสมบัตินี้ ได้แก่ เหล็กโคบอลต์นิกเกิลแกโดลิเนียมและดิสโพรเซียมซึ่งเป็นดินที่หายาก

ในที่ที่มีสนามแม่เหล็กภายนอกเช่นแม่เหล็กธรรมชาติหรือแม่เหล็กไฟฟ้าสารจะตอบสนองในลักษณะเฉพาะตามการกำหนดค่าภายใน ขนาดที่วัดการตอบสนองนี้คือความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็ก

แม่เหล็กสร้างสะพาน ที่มา: Pixabay

ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติที่กำหนดโดยผลหารระหว่างความเข้มของสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นภายในวัสดุและของสนามแม่เหล็กที่ใช้ภายนอก

เมื่อคำตอบนี้มีค่ามากกว่า 1 มากวัสดุนั้นจะถูกจัดประเภทเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า ในทางกลับกันถ้าความสามารถในการซึมผ่านไม่มากกว่า 1 มากการตอบสนองของแม่เหล็กจะถือว่าอ่อนแอกว่าซึ่งเป็นวัสดุพาราแมกเนติก

ในเหล็กความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กอยู่ในลำดับที่ 10 ⁴ . ซึ่งหมายความว่าสนามภายในเหล็กมีค่ามากกว่าสนามที่ใช้ภายนอกประมาณ 10,000 เท่า ซึ่งทำให้ทราบว่าการตอบสนองทางแม่เหล็กของแร่ธาตุนี้มีประสิทธิภาพเพียงใด

การตอบสนองของแม่เหล็กเกิดขึ้นภายในสารได้อย่างไร?

เป็นที่ทราบกันดีว่าแม่เหล็กเป็นผลกระทบที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่ของประจุไฟฟ้า นั่นคือสิ่งที่กระแสไฟฟ้าประกอบด้วย แล้วคุณสมบัติแม่เหล็กของแท่งแม่เหล็กที่มีโน้ตติดอยู่บนตู้เย็นมาจากไหน?

วัสดุของแม่เหล็กและสารอื่น ๆ มีโปรตอนและอิเล็กตรอนอยู่ภายในซึ่งมีการเคลื่อนที่ของตัวเองและสร้างกระแสไฟฟ้าในรูปแบบต่างๆ

แบบจำลองที่เรียบง่ายมากจะถือว่าอิเล็กตรอนในวงโคจรเป็นวงกลมรอบนิวเคลียสซึ่งประกอบด้วยโปรตอนและนิวตรอนจึงรวมตัวกันเป็นวงเล็ก ๆ ของกระแส แต่ละลูปมีความสัมพันธ์กับขนาดเวกเตอร์ที่เรียกว่า "โมเมนต์แม่เหล็กวงโคจร" ซึ่งความเข้มจะได้รับจากผลคูณของกระแสและพื้นที่ที่กำหนดโดยวง: แม่เหล็กของบอร์

แน่นอนในวงเล็ก ๆ นี้กระแสขึ้นอยู่กับประจุของอิเล็กตรอน เนื่องจากสารทั้งหมดมีอิเล็กตรอนอยู่ภายในโดยหลักการแล้วทั้งหมดมีความเป็นไปได้ในการแสดงคุณสมบัติของแม่เหล็ก อย่างไรก็ตามไม่ใช่ทุกคนที่ทำ

เนื่องจากช่วงเวลาแม่เหล็กของมันไม่ได้อยู่ในแนวเดียวกัน แต่จะจัดเรียงแบบสุ่มภายในในลักษณะที่เอฟเฟกต์แม่เหล็กขนาดมหึมาของมันยกเลิกไป

เรื่องราวไม่ได้จบเพียงแค่นี้ ผลคูณของโมเมนต์แม่เหล็กของการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสไม่ได้เป็นเพียงแหล่งกำเนิดแม่เหล็กที่เป็นไปได้ในระดับนี้

อิเล็กตรอนมีลักษณะการเคลื่อนที่แบบหมุนรอบแกนของมัน มันเป็นเอฟเฟกต์ที่แปลเป็นโมเมนตัมเชิงมุมที่แท้จริง คุณสมบัตินี้เรียกว่าอิเล็กตรอนสปิน

ตามธรรมชาติแล้วมันยังมีโมเมนต์แม่เหล็กที่เกี่ยวข้องและมันแข็งแกร่งกว่าโมเมนต์การโคจรมาก ในความเป็นจริงการมีส่วนร่วมที่ยิ่งใหญ่ที่สุดของโมเมนต์แม่เหล็กสุทธิของอะตอมนั้นเกิดจากการหมุนอย่างไรก็ตามช่วงเวลาแม่เหล็กทั้งสอง: การแปลบวกกับโมเมนตัมเชิงมุมภายในมีส่วนทำให้โมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมดของอะตอม

ช่วงเวลาแม่เหล็กเหล่านี้เป็นช่วงเวลาที่มักจะจัดแนวต่อหน้าสนามแม่เหล็กภายนอก และยังทำกับฟิลด์ที่สร้างขึ้นโดยช่วงเวลาใกล้เคียงในเนื้อหา

ตอนนี้อิเล็กตรอนมักจับคู่ในอะตอมที่มีอิเล็กตรอนหลายตัว คู่เกิดขึ้นระหว่างอิเล็กตรอนที่มีสปินตรงข้ามส่งผลให้โมเมนต์แม่เหล็กของสปินถูกยกเลิก

วิธีเดียวที่สปินก่อให้เกิดโมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมดคือถ้าหนึ่งในนั้นไม่มีการจับคู่นั่นคืออะตอมมีอิเล็กตรอนจำนวนคี่

แล้วโมเมนต์แม่เหล็กของโปรตอนในนิวเคลียสล่ะ? พวกมันก็มีโมเมนต์สปินเช่นกัน แต่ก็ไม่ถือว่ามีส่วนสำคัญอย่างยิ่งต่อการดึงดูดแม่เหล็กของอะตอม เนื่องจากโมเมนต์สปินจะผกผันกับมวลและมวลของโปรตอนนั้นมากกว่าอิเล็กตรอนมาก

โดเมนแม่เหล็ก

ในเหล็กโคบอลต์และนิกเกิลซึ่งเป็นองค์ประกอบทั้งสามที่มีการตอบสนองต่อแม่เหล็กที่ยอดเยี่ยมโมเมนต์หมุนสุทธิที่เกิดจากอิเล็กตรอนไม่เป็นศูนย์ในโลหะเหล่านี้อิเล็กตรอนในออร์บิทัล 3 มิติซึ่งอยู่นอกสุดคือ ที่นำไปสู่โมเมนต์แม่เหล็กสุทธิ นั่นคือเหตุผลที่วัสดุดังกล่าวถือว่าเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า

อย่างไรก็ตามโมเมนต์แม่เหล็กของแต่ละอะตอมไม่เพียงพอที่จะอธิบายพฤติกรรมของวัสดุแม่เหล็กไฟฟ้า

ภายในวัสดุแม่เหล็กแรงสูงมีบริเวณที่เรียกว่าโดเมนแม่เหล็กซึ่งส่วนขยายอาจแตกต่างกันระหว่าง 10 ^-4ถึง 10 ^-1ซม. และประกอบด้วยอะตอมหลายพันล้านอะตอม ในภูมิภาคเหล่านี้ช่วงเวลาหมุนสุทธิของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียงจะจับคู่กันอย่างแน่นหนา

เมื่อวัสดุที่มีโดเมนแม่เหล็กเข้าใกล้แม่เหล็กโดเมนจะเรียงตัวกันทำให้ผลแม่เหล็กรุนแรงขึ้น

เป็นเพราะโดเมนเช่นแม่เหล็กแท่งมีขั้วแม่เหล็กซึ่งแสดงทิศเหนือและทิศใต้อย่างเท่าเทียมกันเช่นเดียวกับเสาที่ขับไล่และขั้วตรงข้ามดึงดูด

เนื่องจากโดเมนอยู่ในแนวเดียวกันกับช่องภายนอกวัสดุจึงส่งเสียงแตกซึ่งสามารถได้ยินได้จากการขยายที่เหมาะสม

ผลกระทบนี้สามารถเห็นได้เมื่อแม่เหล็กดึงดูดเล็บเหล็กอ่อนและสิ่งเหล่านี้จะทำงานเหมือนแม่เหล็กดึงดูดเล็บอื่น ๆ

โดเมนแม่เหล็กไม่ใช่ขอบเขตคงที่ที่สร้างขึ้นภายในวัสดุ ขนาดของมันสามารถแก้ไขได้โดยการทำให้วัสดุเย็นลงหรือร้อนขึ้นและขึ้นอยู่กับการกระทำของสนามแม่เหล็กภายนอก

อย่างไรก็ตามการเติบโตของโดเมนไม่ จำกัด ในขณะที่ไม่สามารถจัดแนวได้อีกต่อไปมีการกล่าวว่าถึงจุดอิ่มตัวของวัสดุแล้ว ผลกระทบนี้สะท้อนให้เห็นในเส้นโค้งฮิสเทรีซิสด้านล่าง

ความร้อนของวัสดุทำให้สูญเสียการจัดตำแหน่งของช่วงเวลาแม่เหล็ก อุณหภูมิที่สูญเสียการทำให้เป็นแม่เหล็กโดยสิ้นเชิงนั้นแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับประเภทของวัสดุสำหรับแม่เหล็กแท่งมักจะหายไปที่ประมาณ770ºC

เมื่อดึงแม่เหล็กออกแล้วการดึงดูดของเล็บจะหายไปเนื่องจากความร้อนที่เกิดขึ้นตลอดเวลา แต่มีสารประกอบอื่น ๆ ที่มีการดึงดูดอย่างถาวรเนื่องจากมีโดเมนที่จัดแนวตามธรรมชาติ

โดเมนแม่เหล็กสามารถสังเกตได้เมื่อพื้นที่ราบของวัสดุแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่ใช่แม่เหล็กเช่นเหล็กอ่อนถูกตัดและขัดเงาอย่างดี เมื่อเสร็จแล้วก็โรยด้วยผงหรือตะไบเหล็กละเอียด

ภายใต้กล้องจุลทรรศน์จะสังเกตได้ว่าชิปถูกจัดกลุ่มบนบริเวณที่สร้างแร่โดยมีการวางแนวที่กำหนดไว้อย่างดีตามโดเมนแม่เหล็กของวัสดุ

ความแตกต่างของพฤติกรรมระหว่างวัสดุแม่เหล็กที่แตกต่างกันเกิดจากลักษณะที่โดเมนทำงานภายในพวกมัน

ฮิสเทรีซิสแม่เหล็ก

Magnetic hysteresis เป็นลักษณะเฉพาะที่มีเฉพาะวัสดุที่มีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กสูงเท่านั้น ไม่มีอยู่ในวัสดุพาราแมกเนติกหรือไดอะแมกเนติก

มันแสดงถึงผลกระทบของสนามแม่เหล็กภายนอกที่ใช้ซึ่งแสดงเป็นHต่อการเหนี่ยวนำแม่เหล็กBของโลหะแม่เหล็กในระหว่างวัฏจักรของการทำให้เป็นแม่เหล็กและการขจัดแม่เหล็ก กราฟที่แสดงเรียกว่าเส้นโค้งฮิสเทรีซิส

วงจร hysteresis Ferromagnetic

เริ่มแรกที่จุด O ไม่มีสนามที่ใช้Hหรือการตอบสนองแม่เหล็กBแต่เมื่อความเข้มของH เพิ่มขึ้นการเหนี่ยวนำB จะเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ จนกระทั่งถึงขนาดความอิ่มตัวB _sที่จุด A ซึ่งคาดว่าจะเป็น

ตอนนี้ความเข้มของHจะลดลงมีความก้าวหน้าจนกระทั่งมันกลายเป็น 0 กับที่เราไปถึงจุด C แต่การตอบสนองของแม่เหล็กของวัสดุที่ไม่หายไปรักษาดึงดูด remanentระบุโดยค่าB R หมายความว่ากระบวนการนี้ไม่สามารถย้อนกลับได้

จากนั้นเข้มของHเพิ่มขึ้น แต่มีขั้วตรงกันข้าม (เครื่องหมายลบ) เพื่อให้ดึงดูด remanent ถูกยกเลิกที่จุด D. ค่าที่จำเป็นของHจะแสดงเป็นH _คและถูกเรียกว่าสนามบีบบังคับ

ขนาดของHจะเพิ่มขึ้นจนกว่าจะถึงค่าความอิ่มตัวที่ E อีกครั้งและทันทีที่ความเข้มของHจะลดลงจนกระทั่งถึง 0 แต่ยังคงมีการดึงดูดที่เหลืออยู่โดยมีขั้วตรงข้ามกับที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้ที่จุด F

ตอนนี้ขั้วของHกลับด้านอีกครั้งและขนาดจะเพิ่มขึ้นจนกว่าการตอบสนองแม่เหล็กของวัสดุที่จุด G จะถูกยกเลิกการทำตามเส้นทาง GA จะได้ความอิ่มตัวอีกครั้ง แต่สิ่งที่น่าสนใจคือคุณไม่ได้ไปที่นั่นตามเส้นทางเดิมที่ลูกศรสีแดงระบุไว้

วัสดุแข็งและอ่อนแม่เหล็ก: การใช้งาน

เหล็กอ่อนนั้นง่ายต่อการดึงดูดมากกว่าเหล็กและการแตะที่วัสดุจะช่วยให้การจัดตำแหน่งของโดเมนนั้นง่ายขึ้น

เมื่อเนื้อหาเป็นเรื่องง่ายที่จะดึงดูดและ demagnetize มันบอกว่าจะเป็นแม่เหล็กที่อ่อนนุ่มและแน่นอนถ้าตรงข้ามที่เกิดขึ้นมันเป็นความยากแม่เหล็กวัสดุ ในช่วงหลังโดเมนแม่เหล็กมีขนาดเล็กในขณะที่เดิมมีขนาดใหญ่จึงสามารถมองเห็นได้ผ่านกล้องจุลทรรศน์ตามรายละเอียดข้างต้น

พื้นที่ที่ล้อมรอบด้วยเส้นโค้งฮิสเทอรีซิสเป็นหน่วยวัดพลังงานที่จำเป็นในการดึงดูดแม่เหล็ก - ทำให้วัสดุถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก รูปแสดงเส้นโค้งฮิสเทรีซิสสองเส้นสำหรับวัสดุสองชนิดที่แตกต่างกัน ด้านซ้ายเป็นแม่เหล็กอ่อนส่วนด้านขวาแข็ง

วัสดุแม่เหล็กไฟฟ้าอ่อนมีสนามบีบบังคับขนาดเล็กH _cและเส้นโค้งฮิสเทรีซิสที่สูงและแคบ เป็นวัสดุที่เหมาะสมที่จะวางไว้ในแกนกลางของหม้อแปลงไฟฟ้า ตัวอย่างเช่นเหล็กอ่อนและโลหะผสมเหล็กซิลิกอนและเหล็ก - นิกเกิลซึ่งมีประโยชน์สำหรับอุปกรณ์สื่อสาร

ในทางกลับกันวัสดุที่มีความแข็งแม่เหล็กนั้นยากที่จะดึงแม่เหล็กออกเมื่อถูกทำให้เป็นแม่เหล็กเช่นเดียวกับกรณีของโลหะผสมอัลนิโก (อลูมิเนียม - นิกเกิล - โคบอลต์) และโลหะผสมดินหายากซึ่งทำจากแม่เหล็กถาวร

อ้างอิง

1. Eisberg, R. 1978. ฟิสิกส์ควอนตัม. Limusa 557-577
2. หนุ่มฮิวจ์ 2016. ฟิสิกส์มหาวิทยาลัยของเซียร์ส - เซมันสกี้กับฟิสิกส์สมัยใหม่. 14 เอ็ดเพียร์สัน 943
3. ซาปาต้า, F. (2003). การศึกษาแร่วิทยาที่เกี่ยวข้องกับบ่อน้ำมัน Guafita 8x ที่อยู่ในเขต Guafita (Apure State) โดยใช้การวัดความไวต่อแม่เหล็กและสเปกโทรสโกปีของ Mossbauer ปริญญานิพนธ์. มหาวิทยาลัยกลางเวเนซุเอลา