- Maddelerin içindeki manyetik tepki nasıl ortaya çıkıyor?
- Manyetik alanlar
- Manyetik histerezis
- Manyetik olarak sert ve yumuşak malzemeler: uygulamalar
- Referanslar
Ferromanyetizma bazı maddelerine yoğun ve kalıcı manyetik tepkiyi veren bir özelliktir. Doğada bu özelliğe sahip beş element vardır: demir, kobalt, nikel, gadolinyum ve son nadir topraklar olan disprosyum.
Doğal bir mıknatıs veya elektromıknatıs tarafından üretilenler gibi harici bir manyetik alanın varlığında, bir madde iç konfigürasyonuna göre karakteristik bir şekilde yanıt verir. Bu yanıtı ölçen büyüklük manyetik geçirgenliktir.
Köprü oluşturan mıknatıslar. Kaynak: Pixabay
Manyetik geçirgenlik, malzeme içinde üretilen manyetik alanın yoğunluğu ile dışarıdan uygulanan manyetik alanın yoğunluğu arasındaki bölüm ile verilen boyutsuz bir niceliktir.
Bu cevap 1'den çok daha büyük olduğunda malzeme ferromanyetik olarak sınıflandırılır. Öte yandan, geçirgenlik 1'den çok büyük değilse, manyetik tepkinin daha zayıf olduğu kabul edilir, bunlar paramanyetik malzemelerdir.
Demir, manyetik geçirgenliği 10 mertebesindedir 4 . Bu, demirin içindeki alanın, dışarıdan uygulanan alandan yaklaşık 10.000 kat daha büyük olduğu anlamına gelir. Bu, bu mineralin manyetik tepkisinin ne kadar güçlü olduğuna dair bir fikir veriyor.
Maddelerin içindeki manyetik tepki nasıl ortaya çıkıyor?
Manyetizmanın, elektrik yüklerinin hareketi ile ilişkili bir etki olduğu bilinmektedir. Elektrik akımının içeriği tam olarak budur. O halde buzdolabına bir not yapıştırılan çubuk mıknatısın manyetik özellikleri nereden geliyor?
Mıknatısın malzemesi ve ayrıca diğer herhangi bir madde, kendi hareketlerine sahip olan ve çeşitli şekillerde elektrik akımları üreten protonlar ve elektronlar içerir.
Çok basitleştirilmiş bir model, elektronun proton ve nötronlardan oluşan çekirdek etrafında dairesel bir yörüngede olduğunu varsayar ve böylece küçük bir akım döngüsü oluşturur. Her döngü, yoğunluğu akımın ve döngü tarafından belirlenen alanın çarpımı olan Bohr manyetonu tarafından verilen "yörünge manyetik moment" adı verilen bir vektör büyüklüğü ile ilişkilidir.
Elbette, bu küçük döngüde akım elektronun yüküne bağlıdır. Tüm maddeler içlerinde elektron içerdiğinden, prensipte hepsi manyetik özellikleri ifade etme olasılığına sahiptir. Ancak hepsi yapmıyor.
Bunun nedeni, manyetik momentlerinin hizalı olmaması, makroskopik manyetik etkileri birbirini götürmeyecek şekilde içeride rastgele düzenlenmesidir.
Hikaye burada bitmiyor. Çekirdek etrafındaki elektron hareketinin manyetik moment çarpımı, bu ölçekte tek olası manyetizma kaynağı değildir.
Elektron, ekseni etrafında bir tür dönme hareketine sahiptir. İçsel bir açısal momentuma dönüşen bir etkidir. Bu özelliğe elektron spini denir .
Doğal olarak aynı zamanda ilişkili bir manyetik momente sahiptir ve yörünge momentinden çok daha güçlüdür. Gerçekte, atomun net manyetik momentine en büyük katkı spin yoluyla olur, ancak her iki manyetik moment: öteleme artı içsel açısal momentumun momentumu atomun toplam manyetik momentine katkıda bulunur.
Bu manyetik momentler, harici bir manyetik alan varlığında hizalanma eğiliminde olanlardır. Ve bunu malzemedeki komşu anların yarattığı alanlarla da yapıyorlar.
Şimdi, elektronlar genellikle atomlarda birçok elektronla eşleşir. Ters dönüşe sahip elektronlar arasında çiftler oluşur ve bu da spin manyetik momentinin iptal edilmesiyle sonuçlanır.
Spinin toplam manyetik ana katkıda bulunmasının tek yolu, bunlardan birinin eşleşmemiş olması, yani atomun tek sayıda elektrona sahip olmasıdır.
Çekirdekteki protonların manyetik momenti ne olacak? Eh, aynı zamanda dönme momentine de sahipler, ancak bir atomun manyetizmasına önemli ölçüde katkıda bulunduğu düşünülmüyor. Bunun nedeni, dönme momentinin kütleye ters olarak bağlı olması ve protonun kütlesinin elektronunkinden çok daha büyük olmasıdır.
Manyetik alanlar
Büyük manyetik tepkiye sahip elementlerin üçlüsü olan demir, kobalt ve nikelde, elektronların ürettiği net dönme momenti sıfır değildir.Bu metallerde 3 boyutlu orbitaldeki elektronlar, en dıştaki elektronlar, net manyetik momente katkıda bulunan. Bu nedenle bu tür malzemeler ferromanyetik olarak kabul edilir.
Bununla birlikte, her atomun bu ayrı manyetik momenti, ferromanyetik malzemelerin davranışını açıklamak için yeterli değildir.
Güçlü manyetik malzemelerin içinde , uzantıları 10-4 ile 10-1 cm arasında değişebilen ve milyarlarca atom içeren , manyetik alan adı verilen bölgeler vardır . Bu bölgelerde, komşu atomların net dönme momentleri sıkı bir şekilde bağlanır.
Manyetik alanlara sahip bir malzeme bir mıknatısa yaklaştığında, alanlar birbiriyle hizalanır ve manyetik etkiyi yoğunlaştırır.
Bunun nedeni, çubuk mıknatıslar gibi alanların, aynı kutuplar itecek ve zıt kutuplar çekecek şekilde Kuzey ve Güney olarak eşit olarak gösterilen manyetik kutuplara sahip olmasıdır.
Alanlar dış alanla hizalandıkça, malzeme uygun amplifikasyonla duyulabilen çatlama sesleri yayar.
Bu etki, bir mıknatıs yumuşak demir çivileri çektiğinde ve bunlar da diğer çivileri çeken mıknatıslar gibi davrandığında görülebilir.
Manyetik alanlar, malzeme içinde oluşturulan statik sınırlar değildir. Malzemenin soğutulması veya ısıtılması ve ayrıca harici manyetik alanların etkisine maruz bırakılmasıyla boyutu değiştirilebilir.
Ancak, alanın büyümesi sınırsız değildir. Artık hizalanmanın mümkün olmadığı anda malzemenin doyma noktasına ulaşıldığı söyleniyor. Bu etki aşağıdaki histerezis eğrilerinde yansıtılmaktadır.
Malzemenin ısınması, manyetik momentlerin hizalanmasında kayba neden olur. Mıknatıslanmanın tamamen kaybolduğu sıcaklık, malzemenin türüne bağlı olarak değişir, bir çubuk mıknatıs için genellikle yaklaşık 770ºC'de kaybolur.
Mıknatıs çıkarıldıktan sonra, her zaman mevcut olan termal ajitasyon nedeniyle çivilerin mıknatıslanması kaybolur. Ancak kendiliğinden hizalanmış alanlara sahip oldukları için kalıcı manyetizasyona sahip olan başka bileşikler de vardır.
Yumuşak demir gibi manyetik olmayan ferromanyetik malzemenin düz bir alanı çok iyi kesildiğinde ve cilalandığında manyetik alanlar gözlemlenebilir. Bu yapıldıktan sonra üzerine toz veya ince demir talaşları serpilir.
Mikroskop altında, malzemenin manyetik alanlarını takip ederek, çok iyi tanımlanmış bir yönelimle mineral oluşturan bölgelerde talaşların gruplandığı gözlenmiştir.
Farklı manyetik malzemeler arasındaki davranış farkı, alanların içlerindeki davranış biçiminden kaynaklanmaktadır.
Manyetik histerezis
Manyetik histerez, sadece yüksek manyetik geçirgenliğe sahip malzemelerin sahip olduğu bir özelliktir. Paramanyetik veya diyamanyetik malzemelerde mevcut değildir.
Bir mıknatıslanma ve manyetikliği giderme döngüsü sırasında bir ferromanyetik metalin manyetik indüksiyonu B üzerindeki H olarak adlandırılan uygulanan harici bir manyetik alanın etkisini temsil eder . Gösterilen grafiğe histerezis eğrisi adı verilir.
Ferromanyetik histerezis döngüsü
Başlangıçta O noktasında uygulanan H alanı veya manyetik yanıt B yoktur , ancak H'nin yoğunluğu arttıkça , beklenen A noktasında B s doygunluk büyüklüğüne ulaşana kadar indüksiyon B aşamalı olarak artar .
Şimdi, H'nin yoğunluğu 0 olana kadar kademeli olarak azaltılır , bununla birlikte C noktasına ulaşırız, ancak malzemenin manyetik tepkisi kaybolmaz, B r değeri ile gösterilen kalıcı bir mıknatıslanma korunur . Bu, sürecin geri döndürülemez olduğu anlamına gelir.
Buradan H'nin yoğunluğu artar, ancak kutup tersine çevrilirken (negatif işaret), böylece kalan mıknatıslanma D noktasında iptal edilir. Gerekli H değeri H c olarak gösterilir ve zorlayıcı alan olarak adlandırılır .
H'nin büyüklüğü , E'deki doygunluk değerine tekrar ulaşana kadar artar ve hemen 0'a ulaşana kadar H'nin yoğunluğu azalır, ancak F noktasında daha önce tarif edilene zıt polariteye sahip kalıcı bir mıknatıslanma kalır.
Şimdi H'nin polaritesi tekrar tersine çevrilir ve G noktasındaki malzemenin manyetik tepkisi iptal edilene kadar büyüklüğü artar GA yolunu takiben doygunluğu tekrar elde edilir. Ancak ilginç olan şey, oraya kırmızı oklarla gösterilen orijinal yoldan gitmemiş olmanızdır.
Manyetik olarak sert ve yumuşak malzemeler: uygulamalar
Yumuşak demirin manyetize edilmesi çeliğe göre daha kolaydır ve malzemeye hafifçe vurmak alanların hizalanmasını daha da kolaylaştırır.
Bir malzemenin mıknatıslanması ve manyetikliğini gidermesi kolay olduğunda manyetik olarak yumuşak olduğu söylenir ve elbette bunun tersi olursa manyetik olarak sert bir malzemedir . İkincisinde manyetik alanlar küçükken, birincisinde büyüktür, bu nedenle yukarıda ayrıntılı olarak açıklandığı gibi mikroskopta görülebilirler.
Histerezis eğrisinin çevrelediği alan, malzemeyi mıknatıslamak - manyetikliğini gidermek için gereken enerjinin bir ölçüsüdür. Şekil, iki farklı malzeme için iki histerezis eğrisini göstermektedir. Soldaki manyetik olarak yumuşak, sağdaki ise sert.
Bir yumuşak ferromanyetik malzeme sahip küçük zorlayıcı alan , H , c ve yüksek dar histerez eğrisini. Bir elektrik transformatörünün çekirdeğine yerleştirilecek uygun bir malzemedir. Bunların örnekleri, iletişim ekipmanı için yararlı olan yumuşak demir ve silikon-demir ve demir-nikel alaşımlarıdır.
Öte yandan, alniko alaşımları (alüminyum-nikel-kobalt) ve kalıcı mıknatısların yapıldığı nadir toprak alaşımlarında olduğu gibi, manyetik olarak sert malzemelerin manyetize edildikten sonra manyetizasyonu zordur.
Referanslar
- Eisberg, R. 1978. Quantum Physics. Limusa. 557 -577.
- Genç, Hugh. 2016. Sears-Zemansky's University Physics with Modern Physics. 14. Baskı Pearson. 943.
- Zapata, F. (2003). Mossbauer Manyetik Duyarlılık ve Spektroskopi ölçümleri kullanılarak Guafita sahasına (Apure Eyaleti) ait Guafita 8x petrol kuyusu ile ilişkili mineralojilerin incelenmesi. Derece tezi. Venezuela Merkez Üniversitesi.