Vlastnosti feromagnetických materiálů a jejich aplikace v technologii
Kolem drátu s elektrickým proudem, dokonce i ve vakuu, existuje magnetické pole… A pokud je do tohoto pole zavedena látka, pak se magnetické pole změní, protože každá látka v magnetickém poli je zmagnetizována, to znamená, že získá větší nebo menší magnetický moment, definovaný jako součet elementárních magnetických momentů spojených s části, které tvoří tuto látku.
Podstata jevu spočívá v tom, že molekuly mnoha látek mají své vlastní magnetické momenty, protože uvnitř molekul se pohybují náboje, které tvoří elementární kruhové proudy a jsou tedy doprovázeny magnetickými poli. Pokud na látku nepůsobí žádné vnější magnetické pole, magnetické momenty jejích molekul jsou náhodně orientovány v prostoru a celkové magnetické pole (stejně jako celkový magnetický moment molekul) takového vzorku bude nulové.
Pokud je vzorek zaveden do vnějšího magnetického pole, pak orientace elementárních magnetických momentů jeho molekul nabude vlivem vnějšího pole preferenční směr. Výsledkem je, že celkový magnetický moment látky již nebude nulový, protože magnetická pole jednotlivých molekul se za nových podmínek vzájemně nekompenzují. Látka tak vyvíjí magnetické pole B.
Pokud molekuly látky zpočátku nemají magnetické momenty (takové látky existují), pak když je takový vzorek zaveden do magnetického pole, indukují se v něm kruhové proudy, to znamená, že molekuly získávají magnetické momenty, které opět, v důsledku toho vede ke vzniku celkových magnetických polí B.
Většina známých látek je v magnetickém poli slabě magnetizována, existují však i látky, které se vyznačují silnými magnetickými vlastnostmi, tzv. feromagnetika… Příklady feromagnetik: železo, kobalt, nikl a jejich slitiny.
Mezi feromagnetika patří pevné látky, které při nízkých teplotách mají spontánní (spontánní) magnetizaci, která se výrazně mění pod vlivem vnějšího magnetického pole, mechanické deformace nebo změny teploty. Takto se chovají ocel a železo, nikl a kobalt a slitiny. Jejich magnetická permeabilita je tisíckrát vyšší než u vakua.
Z tohoto důvodu se v elektrotechnice tradičně používá k vedení magnetického toku a přeměně energie magnetická jádra vyrobená z feromagnetických materiálů.
U takových látek závisí magnetické vlastnosti na magnetických vlastnostech elementárních nosičů magnetismu — elektrony pohybující se uvnitř atomů… Samozřejmě, že elektrony pohybující se po drahách atomů kolem jejich jader tvoří kruhové proudy (magnetické dipóly). Ale v tomto případě se elektrony také otáčejí kolem svých os a vytvářejí spinové magnetické momenty, které prostě hrají hlavní roli v magnetizaci feromagnetik.
Feromagnetické vlastnosti se projeví pouze tehdy, když je látka v krystalickém stavu. Tyto vlastnosti jsou navíc vysoce závislé na teplotě, protože tepelný pohyb brání stabilní orientaci elementárních magnetických momentů. Takže pro každý feromagnet je určena specifická teplota (Curieho bod), při které se magnetizační struktura rozruší a látka se stane paramagnetem. Například u železa je to 900 °C.
I ve slabých magnetických polích lze feromagnetika zmagnetizovat do nasycení. Dále jejich magnetická permeabilita závisí na velikosti aplikovaného vnějšího magnetického pole.
Na začátku procesu magnetizace magnetická indukce B se stává silnější ve feromagnetickém, což znamená magnetická permeabilita je to super.Ale když dojde k saturaci, další zvyšování magnetické indukce vnějšího pole již nevede ke zvýšení magnetického pole feromagnetika a proto se magnetická permeabilita vzorku snížila, nyní má tendenci k 1.
Důležitou vlastností feromagnetik je zbytek… Předpokládejme, že v cívce je umístěna feromagnetická tyč a zvýšením proudu v cívce se uvede do saturace. Poté byl proud v cívce vypnut, to znamená, že magnetické pole cívky bylo odstraněno.
Bude možné si všimnout, že tyč není demagnetizována do stavu, ve kterém byla na začátku, její magnetické pole bude větší, to znamená, že bude existovat zbytková indukce. Tímto způsobem se tyč otáčela na permanentní magnet.
Pro demagnetizaci takové tyče zpět bude nutné na ni aplikovat vnější magnetické pole s opačným směrem a s indukcí rovnou zbytkové indukci. Hodnota modulu indukce magnetického pole, která musí být aplikována na zmagnetizovaný feromagnet (permanentní magnet), aby došlo k jeho demagnetizaci, je tzv. donucovací síla.
Magnetizační křivky (hysterezní smyčky) pro různé feromagnetické materiály se navzájem liší.
Některé materiály mají široké hysterezní smyčky — jedná se o materiály s vysokou zbytkovou magnetizací, nazývají se magneticky tvrdé materiály. Při výrobě permanentních magnetů se používají tvrdé magnetické materiály.
Naopak měkké magnetické materiály mají úzkou hysterezní smyčku, nízkou zbytkovou magnetizaci a snadno se magnetizují ve slabých polích. Jedná se o měkké magnetické materiály, které se používají jako magnetická jádra transformátorů, statorů motorů atd.
Feromagnetika dnes hrají v technologii velmi důležitou roli. Měkké magnetické materiály (ferity, elektroocel) se používají v elektromotorech a generátorech, v transformátorech a tlumivkách a také v radiotechnice. Ferity jsou vyrobeny z indukční jádra.
K výrobě permanentních magnetů se používají tvrdé magnetické materiály (ferity barya, kobaltu, stroncia, neodym-železo-bor). Permanentní magnety jsou široce používány v elektrických a akustických nástrojích, v motorech a generátorech, v magnetických kompasech atd.