Τι πρέπει να ξέρεις - Μακροκλίμακα

Διαμαγνητισμός

Ο πιο συνηθισμένος τρόπος ταξινόμησης των μαγνητικών ιδιοτήτων των υλικών είναι με βάση την απόκριση τους σε ένα εφαρμοσμένο μαγνητικό πεδίο. Επομένως, τόσο η σχετική διαπερατότητα όσο και η σχετική επιδεκτικότητα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαφοροποίηση μεταξύ των κατηγοριών των υλικών. Ως εκ τούτου, λέγεται ότι τα υλικά που μπορούν να μαγνητιστούν σε κάποιο βαθμό από ένα μαγνητικό πεδίο ονομάζονται μαγνητικά. Ξεκινάμε με τον διαμαγνητισμό, η οποία είναι μια αδύναμη μορφή μαγνητισμού, που αποδίδεται κυρίως στην τροχιακή κίνηση των ηλεκτρονίων που δημιουργούν μια μαγνητική ροπή όταν αντιμετωπίζονται κλασικά ως «βρόχος ρεύματος».

Παραμαγνητισμός

Για μια ορισμένη κατηγορία υλικών γνωστών ως παραμαγνητικά υλικά, η σχετική διαπερατότητα είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από ένα. Είναι ανεξάρτητη από τη δύναμη του μαγνητικού πεδίου και μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, υπό την προϋπόθεση ότι δεν είναι ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία. Πολλά μέταλλα ανήκουν σε αυτήν την κατηγορία, όπως η πλατίνα ή το παλλάδιο, καθώς και άλατα σιδήρου ή μετάλλα σπανίων γαιών, ή στοιχεία όπως το νάτριο, το κάλιο και το οξυγόνο. Οι σιδηρομαγνήτες γίνονται παραμαγνητικοί πάνω από τη θερμοκρασία Curie Tc.

Αντισιδηρομαγνητισμός

Ο αντι-σιδηρομαγνητισμός είναι ένας τύπος μαγνητισμού με μια διατεταγμένη διάταξη αντιπαράλληλων ευθυγραμμισμένων περιστροφών σε διαφορετικά υποπλέγματα, έτσι ώστε η αντισιδηρομαγνητική δομή να μην έχει καθόλου αυθόρμητη μαγνήτιση. Τα αντι -μαγνητικά υλικά έχουν μικρές διαπερατότητες και, ως εκ τούτου, συχνά ταξινομούνται ως παραμαγνητικά. Οι αντι-σιδηρομαγνήτες εμφανίζουν μια θετική σχετικά μικρή επιδεκτικότητα που ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία παρόμοια με τον παραμαγνητισμό όταν επιτυγχάνονται υψηλότερες θερμοκρασίες. Ωστόσο, αυτή η εξάρτηση έχει ένα μοναδικό σχήμα κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία.

Σιδηριμαγνητισμός

Οι φερρίτες παρουσιάζουν ένα είδος μαγνητισμού που είναι γνωστός ως σιδηριμαγνητισμός και είναι κατά κάποιο τρόπο παρόμοιος τόσο με τον σιδηρομαγνητισμό όσο και με τον αντισιδηρομαγνητισμό. Στα σιδηριμαγνητικά υλικά, εφόσον τα ιόντα τοποθετούνται σε δύο διαφορετικούς τύπους θέσεων πλέγματος, έτσι ώστε οι περιστροφές σε μία θέση να είναι αντίθετα προσανατολισμένες με τις περιστροφές σε άλλη θέση του πλέγματος, τείνουν να συγκρίνονται με αντισιδηρομαγνητικά υλικά. Δεδομένου ότι οι αντι-σιδηρομαγνήτες δεν είναι έντονα μαγνητικοί και οι σιδηριμαγνήτες έχουν αυθόρμητη και μη αμελητέα μαγνήτιση, τα σιδηριμαγνητικά υλικά συχνά συγκρίνονται με σιδηρομαγνήτες.

Σιδηρομαγνητισμός

Οφείλουμε στο τέλος να αναφέρουμε τον σιδηρομαγνητισμό. Ωστόσο, δεδομένου ότι τόσες πολλές έννοιες ισχύουν απευθείας για σιδηρομαγνητικά υλικά, θα συζητηθούν συχνά και, ως εκ τούτου, καμία ενότητα από μόνη της δεν μπορεί να αφιερωθεί σ' αυτά. Ουσιαστικά, τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν διαπερατότητα που εξαρτάται από την ένταση του πεδίου και από την προηγούμενη μαγνητική ιστορία. Πλησιάζουν τον μαγνητικό κορεσμό καθώς η ένταση του πεδίου συνεχίζει να αυξάνεται, πράγμα που σημαίνει ότι το υλικό μπορεί να μαγνητιστεί μόνο σε ένα πεπερασμένο όριο. Οι σιδηρομαγνήτες περιέχουν αυθόρμητα μαγνητισμένες μαγνητικές περιοχές, όπου μία μαγνητική περιοχή είναι μια οντότητα με συνολική μαγνήτιση πεδίου.

Πηγή κειμένου: Magnetism: Basics and Applications,    Stefanita, Carmen-Gabriela, Springer Heidelberg Dordrecht London New York, 2012.

Το ουσιαστικό πρακτικό χαρακτηριστικό κάθε σιδηρομαγνητικού υλικού είναι η μη αναστρέψιμη μη γραμμική απόκριση της μαγνήτισης Μ σε ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο Η. Αυτή η απόκριση συνοψίζεται από το βρόχο υστέρησης. Τα σκληρά μαγνητικά υλικά έχουν ευρείς, τετράγωνους βρόχους M(H) και είναι κατάλληλα για μόνιμους μαγνήτες. Τα μαλακά μαγνητικά υλικά έχουν πολύ στενούς βρόχους. Είναι προσωρινοί μαγνήτες, που χάνουν εύκολα τη μαγνήτισή τους μόλις αφαιρεθεί το πεδίο. Το εφαρμοσμένο πεδίο χρησιμεύει για να αποκαλύψει την αυθόρμητη σιδηρομαγνητική σειρά που υπάρχει ήδη στην κλίμακα των μικροσκοπικών περιοχών.

Ο βρόχος υστέρησης είναι σημαντικός για τον τεχνικό μαγνητισμό. Οι Φυσικοί προσπαθούν να το εξηγήσουν, τα υλικά των ερευνητών στοχεύουν στη βελτίωσή του και μηχανικοί εργάζονται για να το εκμεταλλευτούν. Ο βρόχος συνδυάζει πληροφορίες σχετικά με μια εγγενή μαγνητική ιδιότητα, τον αυθόρμητο μαγνητισμό Ms που υπάρχει σε μία περιοχή ενός σιδηρομαγνήτη και δύο εξωτερικές ιδιότητες, την παραμένουσα μαγνήτιση Mr και το συνεκτικό πεδίο Hc, οι οποίες εξαρτώνται από μια σειρά από εξωγενείς παράγοντες, συμπεριλαμβανομένου του σχήματος του δείγματος, της τραχύτητας της επιφάνειας, των μικροσκοπικών ελαττωμάτων και του θερμικού ιστορικού, καθώς και του ρυθμού με τον οποίο το πεδίο σαρώνεται για να ανιχνεύσει το βρόχο.

Πηγή κειμένου: Magnetism and Magnetic Materials, J. M. D   Coey,  Cambridge University Press, 2010.

Το μαγνητικό πεδίο μπορεί να περιγραφεί από τα διανυσματικά πεδία Β και Η τα οποία σχετίζονται γραμμικά με

Β = μ_οΗ

όπου μ _ο= 4π x10 ^-7 Η m ^-1 είναι η διαπερατότητα του ελεύθερου χώρου και το πεδίο H είναι γνωστό ως η ένταση του μαγνητικού πεδίου ή δύναμη μαγνήτισης. Τα δύο μαγνητικά πεδία Β και Η είναι απλώς αλληλένδετες μεταξύ τους εκδόσεις, το πρώτο μετριέται σε Tesla (συντομογραφία T) και το δεύτερο μετράται σε Α m ^-1 . Σε ένα μαγνητικό στερεό η σχέση μεταξύ Β και Η είναι πιο περίπλοκη και τα δύο διανυσματικά πεδία μπορεί να είναι πολύ διαφορετικά σε μέγεθος και κατεύθυνση. Η γενική διανυσματική σχέση είναι     

Β = μ_ο(Η+Μ).

Πηγή κειμένου: Magnetism and Magnetic Materials, J. M. D   Coey,  Cambridge University Press, 2010.

Μια μέθοδος απομαγνήτισης είναι η θέρμανση του δείγματος πάνω από το σημείο Curie , στο οποίο γίνεται παραμαγνητικό και στη συνέχεια ψύξη του απουσία μαγνητικού πεδίου. Αυτό ονομάζεται θερμική απομαγνήτιση. Η θερμική απομαγνήτιση επιτυγχάνεται με θέρμανση του δείγματος πάνω από τη θερμοκρασία Curie και ψύξη σε μηδενικό πεδίο. Αυτό είναι κουραστικό στην καλύτερη περίπτωση, και επιπλέον μόλις εφαρμοστεί οποιοδήποτε σημαντικό πεδίο στο δείγμα, η απομαγνητισμένη κατάσταση χάνεται και μπορεί να ανακτηθεί μόνο από έναν άλλο θερμικό κύκλο. Συνήθως λοιπόν, μια απομαγνητισμένη κατάσταση επιτυγχάνεται υποβάλλοντας το δείγμα σε μια σειρά μειούμενων θετικών και αρνητικών πεδίων.

Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetic Materials (2nd Edition),  B. D. Cullity, C. D. Graham, Wiley-IEEE Press, 2008.

Όταν ένα μαγνητικό πεδίο Η έχει δημιουργηθεί σε ένα μέσο από ένα ρεύμα, σύμφωνα με το νόμο του Ampere, η απόκριση του μέσου είναι η μαγνητική επαγωγή του Β, που μερικές φορές ονομάζεται και πυκνότητα ροής. Όλα τα μέσα θα ανταποκριθούν με κάποια επαγωγή και, όπως θα δούμε, η σχέση μεταξύ μαγνητικής επαγωγής και μαγνητικού πεδίου είναι μια ιδιότητα που ονομάζεται διαπερατότητα του μέσου. Για τους σκοπούς μας, θα θεωρήσουμε επίσης τον ελεύθερο χώρο ως μέσο, καθώς μια μαγνητική επαγωγή παράγεται από την παρουσία ενός μαγνητικού πεδίου σε ελεύθερο χώρο. Η μαγνητική επαγωγή περιγράφεται πιο χρήσιμα από την άποψη της δύναμης σε κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο ή ηλεκτρικό ρεύμα. Αν η επαγωγή είναι σταθερή τότε μπορούμε να ορίσουμε το tesla ως εξής. Μια μαγνητική επαγωγή Β 1 tesla παράγει μια δύναμη 1 newton ανά μέτρο σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα 1 ampere κάθετο στη διεύθυνση της επαγωγής.

Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetism and Magnetic Materials (1nd edition), David Jiles, Chapman & Hall/CRC, 1991.

Τι εννοούμε με τον όρο «μαγνητικό πεδίο»;

Μία από τις πιο θεμελιώδεις ιδέες στον μαγνητισμό είναι η έννοια του μαγνητικού πεδίου. Όταν ένα πεδίο δημιουργείται σε έναν όγκο ενός χώρου σημαίνει ότι υπάρχει μια αλλαγή στην ενέργεια αυτού του όγκου, και επιπλέον ότι υπάρχει μια ενέργειακή κλίση έτσι ώστε να παράγεται μια δύναμη η οποία μπορεί να ανιχνευθεί με την επιτάχυνση ενός ηλεκτρικού φορτίου που κινείται στο πεδίο, από τη δύναμη σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα, από τη ροπή σε ένα μαγνητικό δίπολο όπως ένας μαγνήτης ράβδου ή ακόμη και από τον αναπροσανατολισμό των περιστροφών στα ηλεκτρόνια μέσα σε ορισμένους τύπους ατόμων.

Η ροπή σε μια βελόνα πυξίδας, η οποία είναι ένα παράδειγμα μαγνητικού δίπολου, είναι ίσως η πιο γνωστή ιδιότητα ενός μαγνητικού πεδίου.

Δημιουργία μαγνητικού πεδίου

Πως παράγονται εξαρχής τα μαγνητικά πεδία;

Ένα μαγνητικό πεδίο παράγεται κάθε φορά που υπάρχει ηλεκτρικό φορτίο σε κίνηση. Αυτό μπορεί να οφείλεται σε ένα ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει για παράδειγμα, σε έναν αγωγό, όπως ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον Oersted το 1819. Ένα μαγνητικό πεδίο παράγεται επίσης από έναν μόνιμο μαγνήτη. Στην περίπτωση αυτή δεν υπάρχει συμβατικό ηλεκτρικό ρεύμα, αλλά υπάρχουν οι τροχιακές κινήσεις και περιστροφές ηλεκτρονίων (τα επονομαζόμενα «ρεύματα Amperian») μέσα στο υλικό μόνιμου μαγνήτη που οδηγούν σε μαγνήτιση εντός του υλικού και μαγνητικό πεδίο εκτός. Το μαγνητικό πεδίο ασκεί δύναμη τόσο στους αγωγούς που μεταφέρουν ρεύμα όσο και στους μόνιμους μαγνήτες.

Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetism and Magnetic Materials (1nd edition), David Jiles, Chapman & Hall/CRC, 1991.

Η ποσότητα που περιγράφει τον βαθμό στον οποίο οι μαγνήτες μαγνητίζονται ονομάζεται ένταση μαγνήτισης ή απλά μαγνήτιση και γράφεται Μ (ή Ι ή J από ορισμένους συγγραφείς). Έχουμε έναν εναλλακτικό ορισμό της μαγνήτισης Μ ως την πολική δύναμη ανά μονάδα εμβαδού διατομής. Η μονάδα μαγνήτισης Μ είναι erg/oersted cm³. Ωστόσο, πιο συχνά γράφεται απλά ως emu/cm³, όπου «emu» νοείται ως η ηλεκτρομαγνητική μονάδα της μαγνητικής ροπής. Ωστόσο, το emu χρησιμοποιείται μερικές φορές για να σημαίνει "ηλεκτρομαγνητικές μονάδες cgs" γενικά. Μερικές φορές είναι προτιμότερο να αναφέρεται η τιμή της μαγνήτισης στη μονάδα μάζας και όχι στη μονάδα όγκου. Η μάζα ενός μικρού δείγματος μπορεί να μετρηθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια από τον όγκο του και η μάζα είναι ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία, ενώ ο όγκος αλλάζει με τη θερμοκρασία λόγω της θερμικής διαστολής.

Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetic Materials (2nd Edition),  B. D. Cullity, C. D. Graham, Wiley-IEEE Press, 2008.

Ο όρος συνεκτικό πεδίο συχνά εφαρμόζεται σε οποιοδήποτε πεδίο, συμπεριλαμβανομένου του Hc, το οποίο μειώνει το Β στο μηδέν, είτε το δείγμα έχει προηγουμένως κορεστεί είτε όχι. Όταν χρησιμοποιείται το «συνεκτικό πεδίο» χωρίς καμία άλλη τροποποίηση, είναι συνήθως ασφαλές να υποθέσουμε ότι στην πραγματικότητα εννοείται η «συνεκτικότητα». Οι τιμές του συνεκτικού πεδίου δεν επηρεάζονται γενικά από τις επιδράσεις της απομαγνήτισης, καθώς καθορίζονται όταν η μαγνήτιση βρίσκεται στο μηδέν ή κοντά στο μηδέν. Τα μόνιμα μαγνητικά υλικά, στα οποία οι τιμές επιδεκτικότητας είναι χαμηλές και αβέβαιες, μετρούνται κανονικά σε κλειστά μαγνητικά κυκλώματα όπου τα πεδία απομαγνήτισης διατηρούνται μικρά.

Πηγή κειμένου: Introduction to Magnetic Materials (2nd Edition),  B. D. Cullity, C. D. Graham, Wiley-IEEE Press, 2008.