Qué sustancias se llaman magnéticas. Imanes y propiedades magnéticas de la materia.
Hay imanes de dos diferentes tipos... Algunos son los llamados imanes permanentes hechos de materiales "magnéticamente duros". Sus propiedades magnéticas no están asociadas con el uso de fuentes o corrientes externas. Otro tipo son los llamados electroimanes con un núcleo de hierro "magnético blando". Los campos magnéticos que crean se deben principalmente al hecho de que una corriente eléctrica pasa a través del alambre devanado que rodea el núcleo.
Polos magnéticos y campo magnético.
Propiedades magnéticas la barra magnética es más visible cerca de sus extremos. Si dicho imán está suspendido por la parte central de modo que pueda girar libremente en el plano horizontal, entonces tomará una posición aproximadamente correspondiente a la dirección de norte a sur. El extremo de la barra que apunta al norte se llama polo norte y el extremo opuesto se llama polo sur. Los polos opuestos de dos imanes se atraen entre sí y los polos del mismo nombre se repelen mutuamente.
Si una barra de hierro no magnetizado se acerca a uno de los polos del imán, este último se magnetizará temporalmente. En este caso, el polo de la barra magnetizada más cercano al polo del imán tendrá un nombre opuesto, y el polo lejano tendrá el mismo nombre. La atracción entre el polo del imán y el polo opuesto inducida por éste en la barra y explica la acción del imán. Algunos materiales (como el acero) se convierten en imanes permanentes débiles después de estar cerca de un imán permanente o un electroimán. Una barra de acero se puede magnetizar simplemente deslizando el extremo del imán permanente de la barra a lo largo de su extremo.
Entonces, un imán atrae otros imanes y objetos hechos de materiales magnéticos sin estar en contacto con ellos. Esta acción a distancia se explica por la existencia en el espacio alrededor del imán. campo magnético... Se puede tener una idea de la intensidad y dirección de este campo magnético rociando limaduras de hierro sobre una hoja de cartón o vidrio colocada sobre un imán. El aserrín se alineará en cadenas en la dirección del campo, y la densidad de las líneas de aserrín corresponderá a la intensidad de este campo. (Son más gruesos en los extremos del imán, donde el campo magnético es más fuerte).
M. Faraday (1791-1867) introdujo el concepto de líneas de inducción cerradas para imanes. Las líneas de inducción salen al espacio circundante desde el imán en su Polo Norte, están incluidos en el imán y Polo Sur y pasar dentro del material magnético desde el polo sur hacia el norte, formando un circuito cerrado. El número total de líneas de inducción que salen de un imán se denomina flujo magnético. Densidad de flujo magnético o inducción magnética ( V), es igual al número de líneas de inducción que pasan a lo largo de la normal a través de un área elemental de magnitud unitaria.
La inducción magnética determina la fuerza con la que un campo magnético actúa sobre un conductor portador de corriente en él. Si el conductor por el que fluye la corriente I, se encuentra perpendicular a las líneas de inducción, entonces, de acuerdo con la ley de Ampere, la fuerza F actuar sobre un conductor es perpendicular tanto al campo como al conductor y es proporcional a la inducción magnética, la intensidad de la corriente y la longitud del conductor. Por lo tanto, para la inducción magnética B puedes escribir una expresión
dónde F- fuerza en newtons, I- corriente en amperios, l- longitud en metros. La unidad para medir la inducción magnética es Tesla (T).
Galvanómetro.
Un galvanómetro es un instrumento sensible para medir corrientes débiles. El galvanómetro utiliza el par generado por la interacción de un imán permanente en forma de herradura con una pequeña bobina portadora de corriente (electroimán débil) suspendida en el espacio entre los polos del imán. El par, y por tanto la deflexión de la bobina, es proporcional a la corriente y a la inducción magnética total en el entrehierro, de modo que la escala del dispositivo es casi lineal con pequeñas deflexiones de la bobina.
Fuerza magnetizante e intensidad del campo magnético.
A continuación, se debe introducir otra cantidad que caracterice la acción magnética. corriente eléctrica... Suponga que una corriente fluye a través del cable de una bobina larga que contiene el material que se va a magnetizar. La fuerza de magnetización es el producto de la corriente eléctrica en la bobina por el número de sus vueltas (esta fuerza se mide en amperios, ya que el número de vueltas es una cantidad adimensional). Intensidad del campo magnético norte igual a la fuerza de magnetización por unidad de longitud de la bobina. Por tanto, la cantidad norte medido en amperios por metro; determina la magnetización adquirida por el material dentro de la bobina.
En el vacío, inducción magnética B proporcional a la fuerza del campo magnético norte:
dónde metro 0 - así llamado constante magnética que tiene un valor universal de 4 pag H 10 –7 H / m. En muchos materiales, el valor B aproximadamente proporcional norte... Sin embargo, en materiales ferromagnéticos, la relación entre B y norte algo más complicado (que se discutirá a continuación).
En la Fig. 1 muestra un electroimán simple para sujetar cargas. La fuente de energía es una batería recargable. corriente continua... La figura también muestra las líneas de fuerza del campo del electroimán, que pueden detectarse mediante el método habitual de limaduras de hierro.
Los electroimanes grandes con núcleos de hierro y un gran número de amperios-vueltas, que funcionan en modo continuo, tienen una gran fuerza de magnetización. Crean una inducción magnética de hasta 6 T entre los polos; esta inducción está limitada solo por esfuerzos mecánicos, calentamiento de las bobinas y saturación magnética del núcleo. P.L. Kapitza (1894-1984) diseñó varios electroimanes gigantes (sin núcleo) con refrigeración por agua, así como instalaciones para crear campos magnéticos pulsados en Cambridge y en el Instituto. problemas físicos Academia de Ciencias de la URSS y F. Bitter (1902-1967) en Massachusetts Instituto de Tecnologia... En tales imanes, fue posible lograr una inducción de hasta 50 T. En el Laboratorio Nacional de Losalamos se desarrolló un electroimán relativamente pequeño, que genera campos de hasta 6,2 T, que consume 15 kW de energía eléctrica y se enfría con hidrógeno líquido. Estos campos se obtienen a temperaturas criogénicas.
Permeabilidad magnética y su papel en el magnetismo.
Permeabilidad magnética metro Es una cantidad que caracteriza las propiedades magnéticas de un material. Los metales ferromagnéticos Fe, Ni, Co y sus aleaciones tienen permeabilidades máximas muy altas, desde 5000 (para Fe) hasta 800,000 (para supermalleaciones). En tales materiales con intensidades de campo relativamente bajas H ocurren grandes inducciones B, pero la relación entre estas cantidades, en términos generales, no es lineal debido a los fenómenos de saturación e histéresis, que se comentan a continuación. Los imanes atraen fuertemente los materiales ferromagnéticos. Pierden sus propiedades magnéticas a temperaturas superiores al punto de Curie (770 ° C para Fe, 358 ° C para Ni, 1120 ° C para Co) y se comportan como paramagnetos, por lo que la inducción B hasta valores de tensión muy altos H proporcional a ella, tal como sucede en el vacío. Muchos elementos y compuestos son paramagnéticos a todas las temperaturas. Las sustancias paramagnéticas se caracterizan por estar magnetizadas en un campo magnético externo; si este campo está desactivado, los paramagnetos vuelven a un estado no magnetizado. La magnetización en los ferroimanes se retiene incluso después de que se apaga el campo externo.
En la Fig. 2 muestra un bucle de histéresis típico para un material ferromagnético magnéticamente duro (alta pérdida). Caracteriza la dependencia ambigua de la magnetización de un material ordenado magnéticamente de la intensidad del campo magnetizante. Con un aumento en la fuerza del campo magnético desde el punto inicial (cero) ( 1 ) la magnetización procede a lo largo de la línea discontinua 1 –2 , y la cantidad metro cambia significativamente a medida que aumenta la magnetización de la muestra. En el punto 2 se alcanza la saturación, es decir con un aumento adicional de la tensión, la magnetización ya no aumenta. Si ahora disminuimos gradualmente el valor H a cero, luego la curva B(H) ya no sigue el camino anterior, sino que pasa por el punto 3 , revelando, por así decirlo, la "memoria" del material sobre " historia pasada", De ahí el nombre" histéresis ". Obviamente, en este caso, se retiene algo de magnetización residual (el segmento 1 –3 ). Después de cambiar la dirección del campo de magnetización a la opuesta, la curva V (norte) pasa el punto 4 , y el segmento ( 1 )–(4 ) corresponde a la fuerza coercitiva que evita la desmagnetización. Mayor crecimiento de valores (- H) lleva la curva de histéresis al tercer cuadrante: la sección 4 –5 ... La posterior disminución del valor (- H) a cero y luego un aumento en valores positivos H conducirá al cierre del bucle de histéresis a través de los puntos 6 , 7 y 2 .
Los materiales magnéticamente duros se caracterizan por un amplio bucle de histéresis que cubre un área grande en el diagrama y, por lo tanto, corresponde a grandes valores de magnetización remanente (inducción magnética) y fuerza coercitiva. Un bucle de histéresis estrecho (Fig. 3) es característico de los materiales magnéticos blandos como el acero dulce y las aleaciones especiales con alta permeabilidad magnética. Estas aleaciones se crearon con el objetivo de reducir las pérdidas de energía por histéresis. La mayoría de estas aleaciones especiales, como las ferritas, tienen una alta resistencia eléctrica, lo que reduce no solo las pérdidas magnéticas, sino también las eléctricas causadas por las corrientes parásitas.
Los materiales magnéticos con alta permeabilidad se producen mediante un recocido que se lleva a cabo manteniéndolo a una temperatura de aproximadamente 1000 ° C, seguido de un revenido (enfriamiento gradual) a temperatura ambiente. En este caso, el tratamiento mecánico y térmico preliminar, así como la ausencia de impurezas en la muestra, son muy importantes. Para núcleos de transformadores a principios del siglo XX. se han desarrollado aceros al silicio, tamaño metro que aumentó con el aumento del contenido de silicio. Entre 1915 y 1920, apareció la permalloy (aleaciones de Ni-Fe) con un característico lazo de histéresis estrecho y casi rectangular. Valores especialmente altos de permeabilidad magnética. metro a valores pequeños H las aleaciones Hypernik (50% Ni, 50% Fe) y mu-metal (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr) difieren, mientras que en Perminvar (45% Ni, 30% Fe, 25% Co ) el valor metro prácticamente constante en un amplio rango de intensidad de campo. Entre los materiales magnéticos modernos, debemos mencionar supermalla, una aleación con la mayor permeabilidad magnética (contiene 79% de Ni, 15% de Fe y 5% de Mo).
Teorías del magnetismo.
Por primera vez, la idea de que los fenómenos magnéticos finalmente se reducen a eléctricos, surgió en Ampere en 1825, cuando expresó la idea de microcorrientes internas cerradas circulando en cada átomo de un imán. Sin embargo, sin ninguna confirmación experimental de la presencia de tales corrientes en la materia (el electrón fue descubierto por J. Thomson sólo en 1897, y la descripción de la estructura del átomo fue dada por Rutherford y Bohr en 1913), esta teoría “se desvaneció ”. En 1852 W. Weber sugirió que cada átomo materia magnética es un pequeño imán, o dipolo magnético, de modo que la magnetización completa de una sustancia se logra cuando todos los imanes atómicos individuales están dispuestos en un cierto orden (Fig.4, B). Weber creía que la "fricción" molecular o atómica ayuda a estos imanes elementales a mantener su orden a pesar de la perturbadora influencia de las vibraciones térmicas. Su teoría fue capaz de explicar la magnetización de los cuerpos en contacto con un imán, así como su desmagnetización por impacto o calentamiento; finalmente, la "multiplicación" de los imanes también se explicó cuando se cortó en pedazos una aguja magnetizada o una varilla magnética. Sin embargo, esta teoría no explica ni el origen de los imanes elementales en sí ni los fenómenos de saturación e histéresis. La teoría de Weber fue refinada en 1890 por J. Ewing, quien reemplazó su hipótesis de fricción atómica con la idea de fuerzas limitantes interatómicas que ayudan a mantener el orden de los dipolos elementales que componen un imán permanente.
El enfoque del problema, una vez propuesto por Ampere, recibió una segunda vida en 1905, cuando P. Langevin explicó el comportamiento de los materiales paramagnéticos, atribuyendo a cada átomo una corriente interna de electrones no compensada. Según Langevin, son estas corrientes las que forman pequeños imanes, orientados aleatoriamente cuando no hay campo externo, pero adquiriendo una orientación ordenada después de su aplicación. En este caso, el enfoque para completar el pedido corresponde a la saturación de la magnetización. Además, Langevin introdujo el concepto de momento magnético, igual para un imán atómico individual al producto de la "carga magnética" de un polo por la distancia entre los polos. Por lo tanto, el magnetismo débil de los materiales paramagnéticos se debe al momento magnético total creado por las corrientes de electrones no compensadas.
En 1907 P. Weiss introdujo el concepto de "dominio", que se convirtió en una importante contribución a teoría moderna magnetismo. Weiss imaginó dominios en forma de pequeñas "colonias" de átomos, dentro de los cuales los momentos magnéticos de todos los átomos, por alguna razón, se ven obligados a mantener la misma orientación, de modo que cada dominio se magnetiza hasta la saturación. Un dominio separado puede tener dimensiones lineales del orden de 0,01 mm y, en consecuencia, un volumen del orden de 10 –6 mm 3. Los dominios están separados por las llamadas paredes de Bloch, cuyo espesor no supera las 1000 dimensiones atómicas. La "pared" y dos dominios orientados de manera opuesta se muestran esquemáticamente en la Fig. 5. Tales paredes son "capas de transición" en las que cambia la dirección de la magnetización del dominio.
En el caso general, se pueden distinguir tres secciones en la curva de magnetización inicial (Fig. 6). En la sección inicial, la pared bajo la acción de un campo externo se mueve a través del espesor de la sustancia hasta que encuentra un defecto. red cristalina eso la detiene. Al aumentar la intensidad del campo, puede obligar a que la pared se mueva más, a través de la sección central entre las líneas discontinuas. Si la intensidad del campo se reduce nuevamente a cero, las paredes ya no volverán a su posición original, por lo que la muestra permanecerá parcialmente magnetizada. Esto explica la histéresis del imán. Al final de la curva, el proceso finaliza con la saturación de la magnetización de la muestra debido al ordenamiento de la magnetización dentro de los últimos dominios desordenados. Este proceso es casi completamente reversible. La dureza magnética se manifiesta en aquellos materiales en los que la red atómica contiene muchos defectos que impiden el movimiento de las paredes entre dominios. Esto se puede lograr mediante tratamiento mecánico y térmico, por ejemplo, mediante compresión y sinterización posterior del material en polvo. En las aleaciones de álnico y sus análogos, se logra el mismo resultado fusionando metales en una estructura compleja.
Además de los materiales paramagnéticos y ferromagnéticos, existen materiales con las llamadas propiedades antiferromagnéticas y ferrimagnéticas. La diferencia entre estos tipos de magnetismo se ilustra en la Fig. 7. Con base en el concepto de dominios, el paramagnetismo se puede considerar como un fenómeno causado por la presencia de pequeños grupos de dipolos magnéticos en el material, en los que los dipolos individuales interactúan muy débilmente entre sí (o no interactúan en absoluto) y por lo tanto , en ausencia de un campo externo, suponga solo orientaciones aleatorias (fig.7, a). En los materiales ferromagnéticos, dentro de cada dominio, existe una fuerte interacción entre los dipolos individuales, lo que lleva a su alineación paralela ordenada (Fig.7, B). En materiales antiferromagnéticos, por el contrario, la interacción entre dipolos individuales conduce a su alineación ordenada antiparalela, de modo que el momento magnético total de cada dominio es cero (Fig.7, v). Finalmente, en los materiales ferrimagnéticos (por ejemplo, ferritas), existe un orden tanto paralelo como antiparalelo (Fig.7, GRAMO), lo que da como resultado un magnetismo débil.
Hay dos convincentes confirmación experimental la existencia de dominios. El primero de ellos es el llamado efecto Barkhausen, el segundo es el método de la figura de polvo. En 1919, G. Barckhausen estableció que cuando se aplica un campo externo a una muestra de un material ferromagnético, su magnetización cambia en pequeñas porciones discretas. Desde el punto de vista de la teoría de dominios, esto no es más que un avance en forma de salto de un muro entre dominios, que encuentra defectos individuales que lo retrasan en su camino. Este efecto se suele detectar con una bobina en la que se coloca una varilla o alambre ferromagnético. Si se lleva alternativamente un imán fuerte y se extrae de la muestra, la muestra se magnetizará y volverá a magnetizar. Los cambios abruptos en la magnetización de la muestra cambian el flujo magnético a través de la bobina y se excita una corriente de inducción en ella. El voltaje generado en esta bobina se amplifica y se alimenta a la entrada de unos auriculares acústicos. Los clics que se escuchan a través de los auriculares indican un cambio brusco en la magnetización.
Para revelar la estructura de dominio de un imán mediante el método de figuras de polvo, se aplica una gota de una suspensión coloidal de un polvo ferromagnético (generalmente Fe 3 O 4) a una superficie bien pulida de un material magnetizado. Las partículas de polvo se depositan principalmente en lugares de máxima inhomogeneidad del campo magnético, en los límites de los dominios. Esta estructura se puede estudiar al microscopio. También se propuso un método basado en la transmisión de luz polarizada a través de un material ferromagnético transparente.
La teoría original de Weiss del magnetismo en sus características básicas ha conservado su importancia hasta la actualidad, sin embargo, ha recibido una interpretación actualizada basada en el concepto de espines electrónicos no compensados como factor determinante del magnetismo atómico. La hipótesis de la existencia de un momento intrínseco del electrón fue planteada en 1926 por S. Goudsmit y J. Uhlenbeck, y en la actualidad son los electrones como portadores del espín los que se consideran "imanes elementales".
Para aclarar este concepto, considere (Fig. 8) un átomo de hierro libre, un material ferromagnético típico. Sus dos conchas ( K y L) más cercanos al núcleo están llenos de electrones, el primero de los cuales contiene dos y el segundo, ocho electrones. V K-shell, el espín de uno de los electrones es positivo y el otro es negativo. V L-shell (más precisamente, en dos de sus subcapas), cuatro de los ocho electrones tienen espines positivos y los otros cuatro tienen espines negativos. En ambos casos, los espines de los electrones dentro de una capa están completamente compensados, de modo que el momento magnético total es cero. V METRO Carcasa, la situación es diferente, ya que de seis electrones en la tercera subcapa, cinco electrones tienen espines dirigidos en una dirección y solo el sexto en la otra. Como resultado, quedan cuatro espines no compensados, lo que determina las propiedades magnéticas del átomo de hierro. (En el exterior norte(cáscara, solo hay dos electrones de valencia, que no contribuyen al magnetismo del átomo de hierro). El magnetismo de otros ferromagnetos, como el níquel y el cobalto, se explica de manera similar. Dado que los átomos vecinos en la muestra de hierro interactúan fuertemente entre sí, y sus electrones están parcialmente colectivizados, esta explicación debe considerarse solo como un diagrama ilustrativo, pero muy simplificado de la situación real.
La teoría del magnetismo atómico, basada en tener en cuenta el espín del electrón, se apoya en dos interesantes experimentos giromagnéticos, uno de los cuales fue realizado por A. Einstein y W. de Haas, y el otro por S. Barnett. En el primero de estos experimentos, se suspendió un cilindro hecho de un material ferromagnético como se muestra en la Fig. 9. Si pasa una corriente a través del alambre de bobinado, el cilindro gira alrededor de su eje. Cuando la dirección de la corriente (y por lo tanto el campo magnético) cambia, gira en la dirección opuesta. En ambos casos, la rotación del cilindro se debe al orden de los giros de los electrones. En el experimento de Barnett, por el contrario, un cilindro suspendido, puesto bruscamente en un estado de rotación, se magnetiza en ausencia de un campo magnético. Este efecto se explica por el hecho de que cuando el imán gira, se crea un momento giroscópico, que tiende a rotar los momentos de giro en la dirección de su propio eje de rotación.
Para obtener una explicación más completa de la naturaleza y el origen de las fuerzas de corto alcance que ordenan los imanes atómicos vecinos y contrarrestan la influencia desordenada del movimiento térmico, conviene recurrir a mecánica cuántica... En 1928 W. Heisenberg propuso una explicación de la mecánica cuántica de la naturaleza de estas fuerzas, quien postuló la existencia de interacciones de intercambio entre átomos vecinos. Más tarde, G. Bethe y J. Slater demostraron que las fuerzas de intercambio aumentan significativamente al disminuir la distancia entre los átomos, pero después de alcanzar una cierta distancia interatómica mínima, caen a cero.
PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LA SUSTANCIA
P. Curie realizó uno de los primeros estudios extensos y sistemáticos de las propiedades magnéticas de la materia. Descubrió que, de acuerdo con sus propiedades magnéticas, todas las sustancias se pueden dividir en tres clases. El primero incluye sustancias con propiedades magnéticas pronunciadas, similares a las del hierro. Estas sustancias se denominan ferromagnéticas; su campo magnético es perceptible a distancias considerables ( cm. encima). La segunda clase incluye sustancias llamadas paramagnéticas; sus propiedades magnéticas son generalmente similares a las de los materiales ferromagnéticos, pero mucho más débiles. Por ejemplo, la fuerza de atracción de los polos de un potente electroimán puede arrebatarle un martillo de hierro de las manos y, para detectar la atracción de una sustancia paramagnética hacia el mismo imán, normalmente se necesita una balanza analítica muy sensible. La última, tercera clase incluye las llamadas sustancias diamagnéticas. Son repelidos por un electroimán, es decir. la fuerza que actúa sobre los diamagnetos se dirige de forma opuesta a la que actúa sobre los ferroimanes y los paraimanes.
Medida de propiedades magnéticas.
En el estudio de las propiedades magnéticas, las mediciones de dos tipos son las más importantes. El primero es medir la fuerza que actúa sobre la muestra cerca del imán; así es como se determina la magnetización de la muestra. El segundo incluye mediciones de frecuencias "resonantes" asociadas con la magnetización de una sustancia. Los átomos son diminutos "giroscopios" y en un campo magnético precesan (como una parte superior normal bajo la influencia del par generado por la gravedad) a una frecuencia que se puede medir. Además, una fuerza actúa sobre las partículas cargadas libres que se mueven en ángulo recto con las líneas de inducción magnética, así como sobre la corriente de electrones en un conductor. Hace que la partícula se mueva en una órbita circular, cuyo radio viene dado por la expresión
R = mv/eB,
dónde metro- masa de partículas, v- su velocidad, mi Es su cargo, y B- inducción magnética del campo. La frecuencia de tal movimiento circular es igual a
dónde F medido en hercios, mi- en colgantes, metro- en kilogramos, B- en teslas. Esta frecuencia caracteriza el movimiento de partículas cargadas en una sustancia en un campo magnético. Ambos tipos de movimiento (precesión y movimiento en órbitas circulares) pueden excitarse alternando campos con frecuencias resonantes iguales a las frecuencias "naturales" características de un material dado. En el primer caso, la resonancia se llama magnética, y en el segundo, se llama ciclotrón (debido a la similitud con el movimiento cíclico de una partícula subatómica en un ciclotrón).
Hablando de las propiedades magnéticas de los átomos, es necesario detenerse especialmente en su momento angular. Un campo magnético actúa sobre un dipolo atómico giratorio, tendiendo a rotarlo y colocarlo paralelo al campo. En cambio, el átomo comienza a precesar alrededor de la dirección del campo (Fig. 10) con una frecuencia que depende del momento dipolar y la fuerza del campo aplicado.
La precesión atómica no es directamente observable, ya que todos los átomos de la muestra precesan en una fase diferente. Si aplicamos un pequeño campo alterno dirigido perpendicular al campo de ordenamiento constante, entonces se establece una cierta relación de fase entre los átomos en precesión y su momento magnético total comienza a precesar con una frecuencia igual a la frecuencia de precesión de los momentos magnéticos individuales. Es importante velocidad angular precesión. Como regla general, este es un valor del orden de 10 10 Hz / T para la magnetización asociada con electrones, y del orden de 10 7 Hz / T para la magnetización asociada con cargas positivas en los núcleos de los átomos.
Un diagrama esquemático de una instalación para observar la resonancia magnética nuclear (RMN) se muestra en la Fig. 11. La sustancia en estudio se introduce en un campo constante uniforme entre los polos. Si entonces, con la ayuda de una pequeña bobina que cubre el tubo de ensayo, se excita un campo de radiofrecuencia, entonces se puede lograr una resonancia a una cierta frecuencia igual a la frecuencia de precesión de todos los "giroscopios" nucleares en la muestra. Las medidas son similares a sintonizar un receptor de radio a la frecuencia de una estación en particular.
Los métodos de resonancia magnética permiten investigar no solo las propiedades magnéticas de átomos y núcleos específicos, sino también las propiedades de su entorno. El hecho es que los campos magnéticos en sólidos y las moléculas no son homogéneas, ya que están distorsionadas por cargas atómicas, y los detalles de la curva de resonancia experimental están determinados por el campo local en la región donde se encuentra el núcleo en precesión. Esto permite estudiar las características estructurales de una muestra particular mediante métodos de resonancia.
Cálculo de propiedades magnéticas.
La inducción magnética del campo terrestre es de 0,5 x 10 –4 T, mientras que el campo entre los polos de un electroimán fuerte es de aproximadamente 2 T o más.
El campo magnético creado por cualquier configuración de corrientes se puede calcular utilizando la fórmula de Biot-Savart-Laplace para la inducción magnética del campo creado por un elemento de corriente. El cálculo del campo generado por contornos de diferentes formas y bobinas cilíndricas es muy complicado en muchos casos. A continuación se muestran fórmulas para varios casos simples. Inducción magnética (en teslas) del campo creado por un cable recto largo con corriente I
El campo de una barra de hierro magnetizada es similar al campo externo de un solenoide largo con el número de amperios-vueltas por unidad de longitud correspondiente a la corriente en átomos en la superficie de la barra magnetizada, ya que las corrientes dentro de la barra se compensan mutuamente. (Figura 12). Con el nombre de Ampere, dicha corriente superficial se llama Ampere. Intensidad del campo magnético H a generado por la corriente de amperios es igual al momento magnético por unidad de volumen de la varilla METRO.
Si se inserta una barra de hierro en el solenoide, además del hecho de que la corriente del solenoide crea un campo magnético H, el orden de los dipolos atómicos en el material magnetizado de la varilla crea una magnetización METRO... En este caso, el flujo magnético total está determinado por la suma de las corrientes real y en amperios, de modo que B = metro 0(H + H a), o B = metro 0(H + M). Actitud METRO/H llamado susceptibilidad magnética y se denota con la letra griega C; C Es una cantidad adimensional que caracteriza la capacidad de un material de magnetizarse en un campo magnético.
La magnitud B/H caracterizar las propiedades magnéticas del material se llama permeabilidad magnética y se denota por m a, y m a = metro 0metro, dónde m a- absoluto, y metro- permeabilidad relativa,
En sustancias ferromagnéticas, la cantidad C puede tener valores muy grandes, hasta 10 4 ё 10 6. La magnitud C los materiales paramagnéticos tienen un poco más de cero, mientras que los materiales diamagnéticos tienen un poco menos. Solo en el vacío y en campos de magnitud muy débiles C y metro son constantes y no dependen del campo externo. Dependencia de inducción B de H generalmente no lineal, y sus gráficos, los llamados. las curvas de magnetización para diferentes materiales e incluso a diferentes temperaturas pueden diferir significativamente (ejemplos de tales curvas se muestran en las Figuras 2 y 3).
Las propiedades magnéticas de la materia son muy complejas y su profundo conocimiento requiere un análisis completo de la estructura de los átomos, sus interacciones en moléculas, sus colisiones en gases y su influencia mutua en sólidos y líquidos; las propiedades magnéticas de los líquidos siguen siendo las menos estudiadas.
Las sustancias colocadas en el MP se comportan de manera diferente. Varios materiales, como oro, plata, cobre, zinc, etc., debilitan ligeramente el MF dentro de la sustancia. Se llaman diamagnetos. Platino, magnesio, aluminio, cromo, paladio, Metales alcalinos, oxígeno, etc., por el contrario, aumentan ligeramente el MF. Se llaman paramagnetos.
Las sustancias en las que el MF intrínseco (interno) puede exceder el MF externo que lo causó cientos y miles de veces se denominan ferromagnetos. Estos incluyen hierro (Fe), cobalto (Co), níquel (№), algunos elementos de tierras raras, así como aleaciones basadas en estos elementos.
En ingeniería eléctrica, se acostumbra subdividir todas las sustancias en magnéticas (ferroimanes) y no magnéticas (diamagnetos y paramagnetos).
Dado que el MF en materiales no magnéticos prácticamente no cambia cuando se expone a un MF externo, los ferroimanes son de particular interés.
El ferromagnetismo se debe a la presencia de regiones magnetizadas en la sustancia, dominios en los que los momentos magnéticos de los átomos tienen la misma dirección. Básicamente, cada dominio es un pequeño imán.
Ferromagnet consta de un número grande dominios, que en ausencia de un MF externo se orientan de manera arbitraria, de modo que el ferromagnet permanece no magnético. Cuando se coloca un ferromagnético en un MF externo, los dominios comienzan a orientarse en la dirección de las líneas de fuerza del MF externo. Con un aumento adicional en la fuerza del MF externo, todos los dominios se establecen a lo largo de las líneas de fuerza del MF. Se establece la saturación magnética y la magnetización apenas aumenta. Si ahora reducimos la fuerza del MF externo a cero, entonces la orientación de los dominios se violará solo parcialmente, por lo tanto, la magnetización del ferromagnético disminuye, pero no a cero. Para eliminar la magnetización remanente de la muestra, es necesario aplicar un MF externo en la dirección opuesta. La fuerza de tal MF se llama fuerza coercitiva NS. Para cada ferromagnético, existe una temperatura por encima de la cual desaparecen sus propiedades ferromagnéticas. Se llama punto Curie. Para el hierro, el punto de Curie es de 768 ° C, para el níquel - 358 ° C y para el cobalto - 1120 ° C.
Para calcular la densidad de flujo magnético del MF V en un ferromaimán, se utiliza una expresión que tiene en cuenta la capacidad de magnetizar el material, B =| d 0 | l g H = |l a N, dónde norte- tensión del MP externo; x g- la relativa permeabilidad magnética del material; | i a - la permeabilidad magnética absoluta del material.
Las propiedades de los ferroimanes a magnetizar se tienen en cuenta | q (., Por lo tanto, para los ferroimanes »1, mientras que para los materiales no magnéticos C ,. = 1.
Las principales características de los ferroimanes son la curva de magnetización. B (H) y un bucle de histéresis (Fig. 6.5, a). Para obtener un bucle de histéresis, es necesario aumentar suavemente norte de cero a / Y 1th, y luego disminuya desde norte antes de -H
Después de una serie de ciclos de magnetización, se obtiene una curva cerrada, que se denomina bucle de histéresis. A diferentes significados/ Como máximo, se obtiene una familia de bucles de histéresis (Fig. 6.5.6). Si la magnitud de la fuerza de MF excede el valor en el que se produce la saturación magnética, es decir, / U || gax> H s, entonces el tamaño del bucle ya no aumenta, solo crecen las áreas libres de histéresis (1-2 y 5-6 en la Fig. 6.5, a). Dicho bucle se denomina bucle de histéresis límite.
Arroz. 6.5. Curvas de magnetización de ferroimanes: a - bucle de histéresis; b - ciclos parciales y límite
La magnetización de un material ferromagnético, primero colocado en el MF, se realiza a lo largo de la línea 0-1. Los puntos 8 y 4 del bucle de histéresis límite corresponden a la fuerza coercitiva //.(-//.), Y los puntos 3 y 7 dan los valores de la inducción residual B g (~ B GRAMO).
Al conectar los vértices en la familia de todas las curvas de histéresis, obtenemos la curva de magnetización principal del ferromagnet. Esta curva se utiliza principalmente en cálculos técnicos y casi coincide con la curva de magnetización 0-1 original (ver Fig. 6.5, a). Por conveniencia, se proporciona solo para valores positivos.
Arroz. 6.6.
1 - magnético suave; 2 - magnéticamente duro
En la Fig. 6.6 muestra los bucles de histéresis para varios materiales magnéticos. Dependiendo del valor de la fuerza coercitiva, todos los materiales magnéticos generalmente se dividen en magnéticos blandos (curva 1) y magnéticos duros (curva 2).
Magnético suave los materiales tienen una fuerza coercitiva baja y un bucle de histéresis relativamente estrecho. Este grupo incluye acero eléctrico, permalloy, ferritas. Estos materiales se utilizan en aparatos eléctricos como máquinas eléctricas, transformadores, aparatos eléctricos, etc.
Magnético duro los materiales tienen una fuerza coercitiva alta y un bucle de histéresis amplio. Al estar magnetizados, retienen su magnetización incluso después de la eliminación del campo de magnetización. Los imanes permanentes están hechos de dichos materiales y se utilizan ampliamente en varios dispositivos.
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Departamento de Geología Ambiental
abstracto
sobre el tema: Propiedades magnéticas de las sustancias.
Completado: estudiante de 1er año, gr. No. 9
Agoshkova Ekaterina Vladimirovna
Crítico:
Profesor asociado, Candidato de Ciencias Voronova T.A.
Propiedades magnéticas de sustancias.
Permeabilidad magnética de la materia.
Clasificación de sustancias por la acción de un campo magnético externo sobre ellas.
Antiferromagnetos y ferrimagnetos
Magnetos permanentes
Punto curie
Literatura
Propiedades magnéticas de sustancias.
Magnetismo- la forma de interacción de cargas eléctricas en movimiento, llevada a cabo a distancia por medio de un campo magnético.
Las propiedades magnéticas de la materia se explican según la hipótesis de Ampere.
Hipótesis de Ampere- Las propiedades magnéticas de un cuerpo pueden explicarse por las corrientes que circulan en su interior.
Dentro de los átomos, debido al movimiento de electrones en órbitas, existen corrientes eléctricas elementales que crean campos magnéticos elementales.
1. si la sustancia no posee propiedades magnéticas, los campos magnéticos elementales no están orientados (debido al movimiento térmico);
2. si la sustancia tiene propiedades magnéticas, los campos magnéticos elementales están igualmente dirigidos (orientados) y se forma el propio campo magnético interno de la sustancia.
Magnetizado la sustancia que crea su propio campo magnético se llama. La magnetización ocurre cuando una sustancia se coloca en un campo magnético externo.
magnetismo amperio antiferromagnet curie
Imány yopermeabilidad de la sustancia
El efecto de una sustancia sobre un campo magnético externo se caracteriza por el valor metro , Lo que es llamado permeabilidad magnética de la materia.
Permeabilidad magnética es una cantidad escalar física que muestra cuántas veces la inducción de un campo magnético en una sustancia dada difiere de la inducción de un campo magnético en el vacío.
donde esta B - inducción magnética del campo en la sustancia; ¿B? 0 - inducción magnética del campo en el vacío.
Clasificación de sustanciaspor la acción de un campo magnético externo sobre ellos
1.D iamagnetics [metro<1]- слабомагнитные вещества, внутреннее магнитное поле направлено противоположно внешнему магнитному полю, но слабовыраженно. Вещества, которые имеют отрицательную магнитную восприимчивость, не зависящую от напряженности магнитного поля.
Susceptibilidad magnética negativa- esto es cuando se lleva un imán al cuerpo y, al mismo tiempo, es repelido, no atraído.
Los diamagnes incluyen, por ejemplo, gases inertes, hidrógeno, fósforo, zinc, oro, nitrógeno, silicio, bismuto, cobre, plata. Es decir, se trata de sustancias que se encuentran en estado superconductor o tienen enlaces covalentes.
2. NS aramagnético [m> 1] - Sustancias débilmente magnéticas, el campo magnético interno se dirige de la misma manera que el campo magnético externo. Para estas sustancias, la susceptibilidad magnética tampoco depende de la intensidad de campo que exista. Al mismo tiempo, es positivo. Es decir, cuando un paraimán se acerca a un imán que actúa permanentemente, surge una fuerza de atracción. Estos incluyen aluminio, platino, oxígeno, manganeso, hierro.
3.F erromagnetismo [m >> 1] - Sustancias magnéticas fuertes, el campo magnético interno es 100-1000 veces mayor que el campo magnético externo.
En estas sustancias, a diferencia de los diamagnetos y paramagnetos, la susceptibilidad magnética depende de la temperatura y la fuerza del campo magnético, y en gran medida.
Estos incluyen cristales de níquel y cobalto.
Antiferromagnetos y ferrimagnetos
Las sustancias en las que, durante el calentamiento, se produce una transición de fase de una determinada sustancia, acompañada de la aparición de propiedades paramagnéticas, se denominan antiferromagnetos... Si la temperatura desciende por debajo de una determinada, estas propiedades no se observarán en la sustancia. Ejemplos de estas sustancias son el manganeso y el cromo.
Susceptibilidad magnética ferrimagnetos también depende de la temperatura y la intensidad del campo magnético. Pero todavía tienen diferencias. Estas sustancias incluyen varios óxidos.
Todos los imanes anteriores se pueden dividir en 2 categorías:
Materiales magnéticos duros. Estos son materiales de alto valor fuerza coercitiva. Para su inversión de magnetización, es necesario crear un potente campo magnético. Estos materiales se utilizan en la fabricación de imanes permanentes.
Materiales magnéticos blandos al contrario, tienen una pequeña fuerza coercitiva. En campos magnéticos débiles, pueden entrar en saturación. Tienen pequeñas pérdidas por inversión de magnetización. Debido a esto, estos materiales se utilizan para fabricar núcleos para máquinas eléctricas que funcionan con corriente alterna. Éste es, por ejemplo, un transformador de corriente y tensión, un generador o un motor de inducción.
Imán permanenteNS
Permanenteimanes- estos son cuerpos, largo tiempo reteniendo la magnetización.
Un imán permanente siempre tiene 2 polos magnéticos: norte (N) y sur (S).
El campo magnético más fuerte de un imán permanente está en sus polos.
Los imanes permanentes suelen estar hechos de hierro, acero, hierro fundido y otras aleaciones de hierro (imanes fuertes), así como de níquel, cobalto (imanes débiles). Los imanes son naturales (naturales) del mineral de hierro del mineral de hierro magnético y artificiales, obtenidos magnetizando el hierro cuando se introduce en un campo magnético.
Interacción de imanes: los polos iguales se repelen y los polos opuestos se atraen.
La interacción de los imanes se explica por el hecho de que cualquier imán tiene un campo magnético y estos campos magnéticos interactúan entre sí.
Campo magnético de imanes permanentes
¿Cuáles son las razones de la magnetización del hierro? Según la hipótesis del científico francés Ampère, existen corrientes eléctricas elementales (corrientes Ampère) dentro de la sustancia, que se forman como resultado del movimiento de electrones alrededor de los núcleos de los átomos y alrededor de su propio eje. Los campos magnéticos elementales surgen cuando los electrones se mueven. Cuando una pieza de hierro se introduce en un campo magnético externo, todos los campos magnéticos elementales de este hierro se orientan de la misma manera en un campo magnético externo, formando su propio campo magnético. Así es como una pieza de hierro se convierte en imán.
¿Qué aspecto tiene un campo magnético?¿magnetos permanentes?
Puede obtenerse una idea del tipo de campo magnético utilizando limaduras de hierro. Basta con poner una hoja de papel sobre el imán y espolvorearlo con limaduras de hierro encima.
Para imán de banda permanente Para imán de arco permanente
Punto curie
Punto curie, o Temperatura curie, es la temperatura de una transición de fase de segundo orden asociada con un cambio brusco en las propiedades de simetría de una sustancia con un cambio de temperatura, pero a valores dados de otros parámetros termodinámicos (presión, intensidad de campo eléctrico o magnético). Una transición de fase de segundo orden a la temperatura de Curie está asociada con un cambio en las propiedades de simetría de la sustancia. En T c, en todos los casos de transiciones de fase, algún tipo de ordenamiento atómico desaparece, por ejemplo, el ordenamiento de los espines de los electrones ( ferroeléctricos), momentos magnéticos atómicos ( ferroimanes), ordenando la disposición de los átomos de diferentes componentes de la aleación en los sitios de la red cristalina (transiciones de fase en las aleaciones). Se observan anomalías agudas cerca de T c propiedades físicas, por ejemplo, piezoeléctrico, electroóptico, térmico.
El punto de Curie magnético es la temperatura de dicha transición de fase en la que desaparece la magnetización espontánea de los dominios de los ferroimanes y el ferromagnético pasa a un estado paramagnético. A temperaturas relativamente bajas, el movimiento térmico de los átomos, que inevitablemente conduce a algunas perturbaciones en la disposición ordenada de los momentos magnéticos, es insignificante. Con un aumento de temperatura, su papel aumenta y, finalmente, a una determinada temperatura (Tc), el movimiento térmico de los átomos es capaz de destruir la disposición ordenada de los momentos magnéticos, y el ferromagnet se transforma en un paramagnet. Cerca del punto de Curie, se observan una serie de características en el cambio en las propiedades no magnéticas de los ferroimanes (resistividad, calor específico, coeficiente de temperatura de expansión lineal).
El valor de T c depende de la fuerza de la conexión de los momentos magnéticos entre sí, en el caso de un enlace fuerte alcanza: para hierro puro T c = 768 o C, para cobalto T c = 1131 o C, excede 1000 o C para aleaciones de hierro-cobalto. Para muchas sustancias, la T c es pequeña (para el níquel, T c = 358 o C). El valor de Tc se puede utilizar para estimar la energía de enlace de los momentos magnéticos entre sí. La destrucción de la disposición ordenada de los momentos magnéticos requiere la energía del movimiento térmico, que es mucho mayor que la energía de interacción de los dipolos y la energía potencial del dipolo magnético en el campo.
A la temperatura de Curie, la permeabilidad magnética de un ferromaimán se vuelve aproximadamente igual a uno, por encima del punto de Curie, el cambio en la susceptibilidad magnética obedece Ley de Curie-Weiss.
Para cada ferromagnet hay una temperatura determinada: el punto de Curie.
1. Si t sustancia< t Кюри, то вещество обладает ферромагнитными свойствами.
2. Si t sustancia> t Curie, las propiedades ferromagnéticas (magnetización) desaparecen y la sustancia se convierte en un paramagnet. Por lo tanto, los imanes permanentes pierden sus propiedades magnéticas cuando se calientan.
Literatura
Zhilko, V.V. Física: libro de texto. subsidio para el 11 ° grado. educación general. shk. de rus. lang. formación / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L.G. Markovich. - Mn.: Nar. Asveta, 2002.- S. 291-297.
http://msk.edu.ua/
http://elhow.ru/
http://class-fizika.narod.ru/
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Magnetización de la sustancia. Los imanes permanentes pueden estar hechos de relativamente pocas sustancias, pero todas las sustancias colocadas en un campo magnético están magnetizadas, es decir, ellas mismas se convierten en fuentes de un campo magnético. Como resultado de esto, el vector de inducción magnética en presencia de materia difiere del vector de inducción magnética en el vacío.
Hipótesis de Ampere. La razón por la que los cuerpos son magnéticos fue establecida por el científico francés Ampere. Al principio, bajo la impresión directa de observar una aguja magnética girando cerca de un conductor con una corriente en los experimentos de Oersted, Lmier sugirió que el magnetismo de la tierra es causado por las corrientes que atraviesan el globo. Se dio el paso principal: las propiedades magnéticas del cuerpo pueden explicarse por las corrientes que circulan en su interior. Entonces Ampere llegó a una conclusión general: las propiedades magnéticas de cualquier cuerpo están determinadas por corrientes eléctricas cerradas en su interior. Este paso decisivo desde la posibilidad de explicar las propiedades magnéticas de un cuerpo por corrientes a la afirmación categórica de que las interacciones magnéticas son interacciones de corrientes es una prueba del gran valor científico de Ampere.
Según la hipótesis de Ampere, las corrientes eléctricas elementales circulan dentro de moléculas y átomos. (Ahora sabemos bien que estas corrientes se forman debido al movimiento de electrones en los átomos). Si los planos en los que circulan estas corrientes están dispuestos aleatoriamente entre sí debido al movimiento térmico de las moléculas (figura 1.28, a) , entonces sus acciones se compensan mutuamente y el cuerpo no exhibe propiedades magnéticas. En el estado magnetizado, las corrientes elementales del cuerpo están orientadas de modo que sus acciones se suman (figura 1.28, b).
La hipótesis de Ampere explica por qué una aguja magnética y un marco (bucle) con una corriente en un campo magnético se comportan de la misma manera (ver § 2). La flecha puede verse como una colección de pequeños circuitos con corriente, orientados de la misma forma.
Los campos magnéticos más fuertes son creados por sustancias llamadas ferroimanes. Los campos magnéticos son creados por ferromagnetos no solo debido a la circulación de electrones alrededor de los núcleos, sino también debido a su propia rotación.
El par intrínseco (momento angular) de un electrón se llama espín. Los electrones siempre parecen girar alrededor de su eje y, al poseer una carga, crean un campo magnético junto con el campo que aparece debido a su movimiento orbital alrededor de los núcleos. En los ferroimanes, hay regiones con orientaciones de espín paralelas, llamadas dominios; las dimensiones de los dominios son del orden de 0,5 µm. La orientación paralela de los espines proporciona un mínimo de energía potencial. Si el ferromagnet no está magnetizado, entonces la orientación de los dominios es caótica y el campo magnético total creado por los dominios es cero. Cuando se enciende un campo magnético externo, los dominios se orientan a lo largo de las líneas de inducción magnética de este campo, y la inducción magnética en los ferroimanes aumenta, llegando a ser miles e incluso millones de veces mayor que la inducción del campo externo.
Temperatura curie. A temperaturas superiores a una determinada para un ferromaimán determinado, sus propiedades ferromagnéticas desaparecen. Esta temperatura se llama temperatura de Curie en honor al científico francés que descubrió este fenómeno. Si calienta demasiado una uña magnetizada, perderá la capacidad de atraer objetos de hierro hacia sí misma. La temperatura de Curie para el hierro es de 753 ° С, para el níquel es de 365 ° С y para el cobalto es de 1000 ° С. Existen aleaciones ferromagnéticas en las que la temperatura de Curie es inferior a 100 ° C.
Los primeros estudios detallados de las propiedades magnéticas de los ferroimanes fueron realizados por el destacado físico ruso A.G. Stoletov (1839-1896).
Ferromagnetos y su aplicación. Aunque no hay tantos cuerpos ferromagnéticos en la naturaleza, son sus propiedades magnéticas las que han recibido la mayor uso práctico... Un núcleo de hierro o acero en una bobina amplifica el campo magnético que crea muchas veces sin aumentar la corriente en la bobina. Esto ahorra energía. Los núcleos de transformadores, generadores, motores eléctricos, etc. están hechos de ferroimanes.
Cuando se apaga el campo magnético externo, el ferromagnet permanece magnetizado, es decir, crea un campo magnético en el espacio circundante. Esto se debe al hecho de que los dominios no vuelven a su posición anterior y su orientación se conserva parcialmente. Debido a esto, existen imanes permanentes.
Los imanes permanentes se utilizan ampliamente en instrumentos de medición eléctricos, altavoces y teléfonos, grabadoras de sonido, brújulas magnéticas, etc.
Las ferritas se utilizan ampliamente: materiales ferromagnéticos que no conducen corriente eléctrica. Ellos representan compuestos químicosóxidos de hierro con óxidos de otras sustancias. Uno de los materiales ferromagnéticos conocidos, el mineral de hierro magnético, es la ferrita.
Registro magnético de información. Los ferromagnéticos se utilizan para producir cintas magnéticas y películas magnéticas delgadas. Las cintas magnéticas se utilizan ampliamente para la grabación de sonido en grabadoras de cinta y para la grabación de vídeo en grabadoras de cinta de vídeo.
La cinta magnética es una base flexible hecha de PVC u otras sustancias. Se le aplica una capa de trabajo en forma de barniz magnético, que consiste en partículas muy pequeñas en forma de agujas de hierro u otro ferromagnético y aglutinantes.
El sonido se graba en una cinta mediante un electroimán, cuyo campo magnético cambia con el tiempo con las vibraciones del sonido. Cuando la cinta se mueve cerca del cabezal magnético, se magnetizan varias secciones de la película. El diagrama del cabezal de inducción magnética se muestra en la Figura 1.29, a, donde 1 es el núcleo del electroimán; 2 - cinta magnética; 3 - espacio de trabajo; 4 - bobinado de electroimán.
Al reproducir sonido, se observa el proceso opuesto: una cinta magnetizada excita señales eléctricas en el cabezal magnético, que, después de la amplificación, se envían al altavoz de la grabadora.
Las películas magnéticas delgadas consisten en una capa de material ferromagnético con un espesor de 0.03 a 10 micrones.
Se utilizan en los dispositivos de almacenamiento de las computadoras electrónicas (computadoras). Las cintas magnéticas están diseñadas para grabar, almacenar y reproducir información. Se aplican a un disco o tambor de aluminio delgado. La información se graba y reproduce de la misma manera que en una grabadora de cinta convencional. El registro de información en una computadora también se puede realizar en cintas magnéticas.
El desarrollo de la tecnología de grabación magnética ha llevado a la aparición de microcabezales magnéticos, que se utilizan en las computadoras, lo que permite la creación de una densidad de grabación magnética antes impensable. Un disco duro ferromagnético con un diámetro de menos de 8 cm almacena hasta varios terabytes (10 12 bytes) de información. La lectura y el registro de información en dicho disco se lleva a cabo utilizando un microcabezal ubicado en un brazo pivotante (Fig. 1.29, b). El disco en sí gira a una velocidad tremenda y la cabeza flota sobre él en una corriente de aire, lo que evita la posibilidad de daños mecánicos en el disco.
Todas las sustancias colocadas en un campo magnético crean su propio campo. Los campos más fuertes son generados por ferromagnetos. Los imanes permanentes están hechos de ellos, ya que el campo ferromagnético no desaparece después de que se apaga el campo de magnetización. Los ferroimanes se utilizan ampliamente en la práctica.
1. ¡Qué sustancias se llaman ferroimanes!
2. ¿Para qué se utilizan los materiales ferromagnéticos?
3. ¿Cómo se registra la información en la computadora?
Cualquier sustancia es magnética, es decir es capaz de adquirir un momento magnético (magnetización) bajo la influencia de un campo magnético. Según la magnitud y dirección de este momento, así como por las razones que lo originaron, todas las sustancias se dividen en grupos. Los principales son diamamanes y paramagnetos.
Las moléculas de diamagnet no tienen su propio momento magnético. Surge en ellos solo bajo la influencia de un campo magnético externo y se dirige contra él. Por lo tanto, el campo magnético resultante en el diamagnet es menor que el campo externo, aunque en una cantidad muy pequeña. Esto lleva al hecho de que cuando un diamagnetico se coloca en un campo magnético no homogéneo, tiende a desplazarse a la región donde el voltaje del campo magnético es menor.
Las moléculas (o átomos) de un paramagnet tienen sus propios momentos magnéticos que, bajo la acción de campos externos, se orientan a lo largo del campo y, por lo tanto, crean un campo resultante que excede al externo. Los paramagnetos se atraen a un campo magnético. Entonces, por ejemplo, el oxígeno líquido es un paramagnético, es atraído por un imán.
La permeabilidad magnética de una sustancia en particular depende de muchos factores: la fuerza del campo magnético, la forma del campo en consideración (ya que las dimensiones finitas de cualquier imán dan lugar a la aparición de un contracampo que reduce el inicial), la temperatura , frecuencia de cambios en el campo magnético, presencia de defectos estructurales, etc.
Hay una serie de sustancias en las que los efectos cuánticos de las interacciones interatómicas dan lugar a la aparición de propiedades magnéticas específicas.
La propiedad más interesante es el ferromagnetismo. Es característico de un grupo de sustancias en estado sólido cristalino (ferroimanes), caracterizado por la orientación paralela de los momentos magnéticos de los portadores atómicos del magnetismo.
La orientación paralela de los momentos magnéticos existe en áreas bastante grandes de los dominios de la materia. Los momentos magnéticos totales de los dominios individuales son muy grandes, pero los dominios mismos suelen estar orientados aleatoriamente en la materia. Cuando se aplica un campo magnético, los dominios se orientan, lo que conduce a la aparición de un momento magnético total en todo el volumen del ferromagnético y, como consecuencia, a su magnetización.
Naturalmente, los ferroimanes, como los paraimanes, se mueven hasta el punto del campo donde la intensidad es máxima (son atraídos hacia el campo magnético). Debido al gran valor de la permeabilidad magnética, la fuerza que actúa sobre ellos es mucho mayor.
La existencia de dominios en ferromagnetos solo es posible por debajo de una determinada temperatura (punto de Curie). Por encima del punto de Curie, el movimiento térmico viola la estructura ordenada de los dominios y el ferromagnet se convierte en un paramagnet ordinario.
El rango de temperatura de Curie para los ferroimanes es muy amplio: para el radolinio, la temperatura de Curie es de 20 0 C, para el hierro puro - 1043 K. Casi siempre es posible elegir una sustancia con la temperatura de Curie requerida.
Con una disminución de la temperatura, todos los paramagnéticos, excepto aquellos en los que el paramagnetismo se debe a electrones de conducción, pasan a un estado ferromagnético o antiferromagnético.
Algunas sustancias (cromo, manganeso) tienen sus propios momentos magnéticos de electrones orientados en antiparalelo (hacia) entre sí. Esta orientación cubre los átomos vecinos y sus momentos magnéticos se anulan entre sí. Como resultado, los antiferromagnetos tienen una susceptibilidad magnética extremadamente baja y se comportan como paramagnetos muy débiles.
Para los antiferromagnetos, también existe una temperatura a la que desaparece la orientación antiparalela de los espines. Esta temperatura se llama punto de Curie antiferromagnético o punto Néel.
Algunos ferromagnetos (erbina, diobrosina, aleaciones de manganeso y cobre) tienen dos de tales temperaturas (puntos Néel superior e inferior) y las propiedades antiferromagnéticas se observan solo a temperaturas intermedias. Por encima del punto superior, la sustancia se comporta como un paramagnet y, a temperaturas por debajo del punto Néel inferior, se convierte en un ferromagnet.
Un cambio irreversible en la magnetización de una muestra ferromagnética en un campo magnético constante débil con un cambio cíclico de temperatura se denomina histéresis magnética de temperatura. Hay dos tipos de histéresis causados por cambios en el dominio y la estructura cristalina. En el segundo caso, el punto de Curie es más alto durante el calentamiento que durante el enfriamiento.
Ferrimagnetismo - (o antiferromagnetismo no compensado) un conjunto de propiedades magnéticas de sustancias (ferromagnetos) en estado sólido, debido a la presencia de una interacción de intercambio electrón-electrón dentro del cuerpo, que tiende a crear una orientación antiparalela de momentos magnéticos atómicos vecinos. A diferencia de los antiferromagnetos, los momentos magnéticos adyacentes dirigidos de manera opuesta, por cualquier razón, no se compensan completamente entre sí. El comportamiento de un ferrimagnet en un campo externo es en muchos aspectos similar al de un ferromagnet, pero la dependencia de la temperatura de las propiedades tiene una forma diferente: a veces hay un punto de compensación para el momento magnético total a una temperatura por debajo del punto Néel. Según las propiedades eléctricas, los ferroimanes son dieléctricos o semiconductores.
El superparamagnetismo es el comportamiento cuasi-paramagnético de sistemas que consisten en un conjunto de partículas ferro o ferrimagnéticas extremadamente pequeñas. Las partículas de estas sustancias, de tamaños definitivamente pequeños, pasan a un estado de dominio único con magnetización espontánea uniforme en todo el volumen de la partícula. Un conjunto de estas sustancias se comporta en relación con el efecto de un campo magnético externo y la temperatura como un gas paramagnético (aleaciones de cobre-cobalto, polvos finos de níquel, etc.).
Las partículas muy pequeñas de antiferromagnetos también tienen propiedades especiales, similares al superparamagnetismo, ya que violan la compensación total de los momentos magnéticos. Las películas ferromagnéticas delgadas tienen propiedades similares.
El superparamagnetismo se utiliza en estudios estructurales finos, en métodos de determinación no destructiva del tamaño, forma, cantidad y composición de la fase magnética, etc.
Los piezomagnetos son sustancias en las que, cuando se aplican tensiones elásticas, se produce un efecto magnético espontáneo, proporcional a la primera potencia de la magnitud de las tensiones. Este efecto es muy pequeño y es más fácil de detectar en antiferromagnetos.
Los magnetoeléctricos son sustancias en las que, cuando se colocan en un campo eléctrico, se produce un momento magnético, proporcional al valor del campo.
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