Τι είναι ο σιδηρομαγνητισμός

Το ηλεκτρόνιο ενός ατόμου έχει τη δική του τροχιακή μαγνητική διπολική ροπή και περιστρέφει τη μαγνητική διπολική ροπή που συνδυάζεται διανυσματικά. Σε ένα δείγμα υλικού, τα αποτελέσματα κάθε ατόμου συνδυάζονται με αυτά των άλλων ατόμων. Εάν όλες αυτές οι μαγνητικές διπολικές ροπές παράγουν μαγνητικό πεδίο, μπορούμε να πούμε ότι το υλικό έχει μαγνητισμό. Υπάρχουν γενικά τρεις τύποι μαγνητισμού:διαμαγνητισμός, παραμαγνητισμός και σιδηρομαγνητισμός.

Οι μόνιμες μαγνητικές ροπές ορισμένων υλικών έχουν μια ισχυρή τάση να ευθυγραμμίζονται ακόμη και όταν δεν υπάρχει εξωτερικό πεδίο. Τέτοια υλικά είναι γνωστά ως σιδηρομαγνητικά υλικά.

Σιδηρομαγνητισμός:

Ο σιδηρομαγνητισμός είναι χαρακτηριστικό ορισμένων στοιχείων όπου οι προκύπτουσες μαγνητικές κινήσεις των ηλεκτρονίων είναι ευθυγραμμισμένες, γεγονός που παράγει ισχυρές διπολικές ροπές στην περιοχή. Η μαγνητική ροπή από τέτοιες περιοχές στη συνέχεια ευθυγραμμίζεται από ένα εξωτερικό πεδίο, με αποτέλεσμα ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο για ένα δείγμα υλικού. Κάποιο τμήμα του πεδίου υπάρχει ακόμα και αφού αφαιρέσουμε το εξωτερικό πεδίο.

Σιδηρομαγνητικά υλικά:

Τα άτομα του σιδηρομαγνητικού υλικού έχουν μόνιμες διπολικές ροπές στους τομείς τους. Στοιχεία όπως ο σίδηρος, το κοβάλτιο, το νικέλιο, ο σίδηρος παρουσιάζουν σιδηρομαγνητισμό λόγω ενός φαινομένου κβαντικής φυσικής που ονομάζεται σύζευξη ανταλλαγής. Τα γειτονικά άτομα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους μέσω του σπιν των ηλεκτρονίων τους.

Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την ευθυγράμμιση της μαγνητικής διπολικής ροπής των ατόμων παρά την τάση τυχαιοποίησης της ατομικής σύγκρουσης λόγω θερμικής ανάδευσης. Ο μόνιμος μαγνητισμός των σιδηρομαγνητικών στοιχείων οφείλεται σε αυτή την επίμονη ευθυγράμμιση. Αυτά τα στοιχεία είναι γνωστά ως σιδηρομαγνητικά υλικά και μαγνητικά υλικά.

Όταν θερμαίνονται πάνω από μια συγκεκριμένη θερμοκρασία που ονομάζεται θερμοκρασία Κιουρί, τα σιδηρομαγνητικά υλικά χάνουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες και γίνονται παραμαγνητικά. Σε υψηλές θερμοκρασίες, η σύζευξη ανταλλαγής παύει να είναι αποτελεσματική. Το δίπολο εξακολουθεί να ευθυγραμμίζεται με ένα εξωτερικό πεδίο αλλά πολύ πιο αδύναμα.

Αιτίες σιδηρομαγνητισμού:

Ο μαγνητισμός εμφανίζεται λόγω της αλληλεπίδρασης μεταξύ του γειτονικού διπόλου των ατόμων και της ευθυγράμμισης των μόνιμων διπόλων που προκύπτει από τα ασύζευκτα ηλεκτρόνια που υπάρχουν στο κέλυφος σθένους.

Θεωρία σιδηρομαγνητισμού:

Ο Weiss έδωσε τη θεωρία πεδίου του σιδηρομαγνητισμού το 1907. Αυτή η θεωρία εξηγεί την υστέρηση και τις ιδιότητες του σιδηρομαγνητικού υλικού.

• Το μαγνητικό υλικό χωρίζεται σε πολλές μικρές περιοχές που ονομάζονται τομείς.

• Σε κάθε τομέα, η μαγνητική ροπή βρίσκεται στην ίδια κατεύθυνση.

• Η καθαρή μαγνήτιση είναι μηδενική, αλλά η μαγνητική ροπή είναι διαφορετική για διαφορετικούς τομείς.

• Όταν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο απουσιάζει, η μαγνητική ροπή βρίσκεται σε διαφορετικές κατευθύνσεις.

• Όταν εφαρμόζεται το μαγνητικό πεδίο, λαμβάνουν χώρα δύο διαδικασίες.

• Κατά την εφαρμογή της μικρής ποσότητας μαγνητικών πεδίων, τα δίπολα που υπάρχουν στους τομείς ευθυγραμμίζονται παράλληλα με την κατεύθυνση του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Η κίνηση του τοιχώματος τομέα αυξάνει την περιοχή τομέα.

• Όταν αυξάνουμε το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο, η περιστροφή των τομέων κάνει τους τομείς να περιστρέφονται παράλληλα με την κατεύθυνση του πεδίου.

Μαγνητική υστέρηση:

Όταν ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο εφαρμόζεται σε μια σιδηρομαγνητική ουσία, όπως ο σίδηρος, το νικέλιο ή το κοβάλτιο, τα ατομικά δίπολα ευθυγραμμίζονται με αυτήν, προκαλώντας υστέρηση. Όταν αφαιρούμε το πεδίο, η ευθυγράμμιση διατηρείται εν μέρει και το υλικό μαγνητίζεται, και όταν ένα υλικό μαγνητίζεται, παραμένει μαγνητισμένο για αόριστο χρονικό διάστημα. Είναι επίσης γνωστό ως βρόχος υστέρησης.

Καμπύλη B-H:

Η καμπύλη B-H αντιπροσωπεύει τη δύναμη μαγνήτισης (H) έναντι της πυκνότητας μαγνητικής ροής ενός σιδηρομαγνητικού υλικού (B). Αυτή η καμπύλη είναι χαρακτηριστική του παρατηρούμενου τύπου υλικού και μπορεί να ποικίλλει σε σχήμα και μέγεθος.

Η καμπύλη BH χρησιμοποιείται για να εξηγήσει τη μη γραμμική συμπεριφορά της μαγνήτισης που αποκτά ένα σιδηρομαγνητικό υλικό όταν εφαρμόζεται ένα μαγνητικό πεδίο σε αυτό.

Εφαρμογές σιδηρομαγνητισμού:

Ο σιδηρομαγνητισμός εφαρμόζεται σε διάφορες συσκευές όπως μετασχηματιστές, ηλεκτρομαγνήτες, μαγνητικές ταινίες, σκληρούς δίσκους, τηλέφωνα, μεγάφωνα, γεννήτριες κ.λπ.

Αντισιδηρομαγνητισμός:

Είναι ένας τύπος μαγνητισμού που εμφανίζεται σε στερεά όπως το οξείδιο του μαγνησίου, στο οποίο τα γειτονικά ιόντα συμπεριφέρονται σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες. Ευθυγραμμίστηκαν αυθόρμητα σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία σε αντίθετες διατάξεις σε όλο το υλικό για να επιδείξουν καθαρό εξωτερικό μαγνητισμό.

Στα αντισιδηρομαγνητικά υλικά, ο μαγνητισμός από μαγνητικά ιόντα μιας κατεύθυνσης ακυρώνεται από το σύνολο των μαγνητικών ιόντων ευθυγραμμισμένων προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Συμπέρασμα:

Ο μαγνητισμός είναι μια ιδιότητα με την οποία ορισμένα υλικά αποκτούν την ιδιότητα ενός μόνιμου μαγνήτη ή έλκονται από έναν μαγνήτη. Ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο ευθυγραμμίζει τις κινήσεις του μαγνητικού διπόλου σε μια σιδηρομαγνητική ένωση. Παραμένουν εν μέρει ευθυγραμμισμένα όταν αφαιρεθούν τα εξωτερικά πεδία, αποκτώντας έτσι τα χαρακτηριστικά ενός μόνιμου μαγνήτη.

Όταν η θερμοκρασία του υλικού ανεβαίνει πάνω από τη θερμοκρασία curie, η ευθυγράμμιση της μαγνητικής διπολικής ροπής διαταράσσεται. Όπου υπάρχει ανομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο, η σιδηρομαγνητική ουσία έλκεται γενικά στην περιοχή του υψηλού μαγνητικού πεδίου.