Permeabilitas magnetik relatif. Bahan magnetik
Semua zat bersifat magnetis dan termagnetisasi dalam medan magnet luar.
Berdasarkan sifat kemagnetannya, bahan dibedakan menjadi bahan yang bermagnet lemah ( bahan diamagnetik Dan paramagnet) dan sangat magnetis ( feromagnet Dan ferrimagnet).
Diamagnetr < 1, значение которой не зависит от напряженности внешнего medan magnet. Diamagnet adalah zat yang atom (molekulnya) tanpa adanya medan magnet mempunyai momen magnet sama dengan nol: hidrogen, gas inert, sebagian besar senyawa organik dan beberapa logam ( Cu, Zn, Ag, Au, Hg), serta DI DALAM Saya, Ga, Sb.
Paramagnet– zat dengan permeabilitas magnetikr> 1, yang pada medan lemah tidak bergantung pada kekuatan medan magnet luar. Zat paramagnetik meliputi zat yang atom (molekulnya) tanpa adanya medan magnet mempunyai momen magnet selain nol: oksigen, nitrogen oksida, garam besi, kobalt, nikel dan unsur tanah jarang, logam alkali, aluminium, platina.
Bahan diamagnetik dan paramagnetik memiliki permeabilitas magnetikrdekat dengan kesatuan. Penerapan teknologi sebagai bahan magnetik terbatas.
Pada bahan yang sangat bermagnet, permeabilitas magnetnya jauh lebih besar daripada satu (r >> 1) dan tergantung pada kekuatan medan magnet. Ini termasuk: besi, nikel, kobalt dan paduannya, serta paduan kromium dan mangan, gadolinium, ferit dengan berbagai komposisi.
6.1. Karakteristik magnetik bahan
Sifat kemagnetan suatu bahan dinilai dengan besaran fisis yang disebut karakteristik kemagnetan.
Permeabilitas magnetik
Membedakan relatif Dan mutlak permeabilitas magnetik zat (bahan) yang saling berhubungan melalui hubungan
μa = μ o · μ, Gn/m
μo– konstanta magnet,μo = 4π ·10 -7 jam/m;
μ – permeabilitas magnet relatif (kuantitas tak berdimensi).
Permeabilitas magnetik relatif digunakan untuk menggambarkan sifat-sifat bahan magnetik.μ (lebih sering disebut permeabilitas magnetik), dan untuk perhitungan praktis, permeabilitas magnetik absolut digunakanμa, dihitung dengan persamaan
μa = DI DALAM /N,Gn/m
N– intensitas medan magnet magnetisasi (eksternal), A/m
DI DALAM – induksi medan magnet pada magnet.
Nilai besarμ menunjukkan bahwa bahan tersebut mudah termagnetisasi pada medan magnet lemah dan kuat. Permeabilitas magnet sebagian besar magnet bergantung pada kekuatan medan magnet magnetisasi.
Untuk mengkarakterisasi sifat kemagnetan, besaran tak berdimensi disebut kerentanan magnetik χ .
μ = 1 + χ
Koefisien suhu permeabilitas magnetik
Sifat kemagnetan suatu zat bergantung pada suhuμ = μ (T) .
Untuk menggambarkan sifat perubahansifat magnetik dengan suhugunakan koefisien suhu permeabilitas magnetik.
Ketergantungan kerentanan magnetik bahan paramagnetik pada suhuTdijelaskan oleh hukum Curie
Di mana C - Konstanta Curie .
Karakteristik magnetik feromagnet
Ketergantungan sifat kemagnetan feromagnet mempunyai karakter yang lebih kompleks, ditunjukkan pada gambar, dan mencapai maksimum pada suhu mendekatiQ Ke.
Suhu di mana kerentanan magnetik menurun tajam, hampir nol, disebut suhu Curie -Q Ke. Pada suhu yang lebih tinggiQ Ke proses magnetisasi feromagnet terganggu karena pergerakan termal atom dan molekul yang intens dan material tidak lagi bersifat feromagnetik dan menjadi paramagnetik.
Untuk besi Q k = 768 ° C, untuk nikel Q k = 358 ° C, untuk kobalt Q k = 1131 ° C.
Di atas suhu Curie, ketergantungan kerentanan magnetik feromagnet pada suhuTdijelaskan oleh hukum Curie-Weiss
Proses magnetisasi bahan bermagnet tinggi (feromagnet) memiliki histeresis. Jika feromagnet yang mengalami demagnetisasi dimagnetisasi dalam medan luar, maka feromagnet tersebut menjadi termagnetisasi menurut kurva magnetisasi B = B(H) . Jika demikian, mulailah dari suatu nilaiHmulai mengurangi kekuatan medan, lalu induksiBakan berkurang dengan beberapa penundaan ( histeresis) sehubungan dengan kurva magnetisasi. Ketika medan dalam arah berlawanan meningkat, feromagnet menjadi mengalami kerusakan magnetik menjadi magnet kembali, dan dengan adanya perubahan baru pada arah medan magnet, ia dapat kembali ke titik awal dari mana proses demagnetisasi dimulai. Loop yang dihasilkan seperti yang ditunjukkan pada gambar disebut lingkaran histeresis.
Pada ketegangan maksimum tertentuN M medan magnetisasi, zat tersebut dimagnetisasi ke keadaan jenuh, di mana induksi mencapai nilainyaDI DALAM N, yang disebutinduksi saturasi.
Induksi magnet sisa DI DALAM TENTANG – diamati pada bahan feromagnetik, termagnetisasi hingga jenuh, selama demagnetisasi, ketika kuat medan magnetnya nol. Untuk mendemagnetisasi sampel material, kuat medan magnet harus berubah arahnya ke arah yang berlawanan (-N). Kekuatan lapanganN KE , di mana induksi sama dengan nol, disebut kekuatan koersif(memegang kekuatan) .
Pembalikan magnetisasi suatu feromagnet dalam medan magnet bolak-balik selalu disertai dengan hilangnya energi panas yang disebabkan oleh kerugian histeresis Dan kerugian dinamis. Kerugian dinamis berhubungan dengan arus eddy yang diinduksi dalam volume material dan bergantung pada hambatan listrik material, menurun dengan meningkatnya resistensi. Kerugian histeresisW dalam satu siklus pembalikan magnetisasi ditentukan oleh luas loop histeresis
dan dapat dihitung satuan volume suatu zat dengan menggunakan rumus empiris
J/m 3
Di mana η – koefisien tergantung pada bahan,B N – induksi maksimum yang dicapai selama siklus,N– eksponen sama dengan 1,6 tergantung pada bahannya¸ 2.
Kehilangan energi spesifik karena histeresis R G – kerugian yang dikeluarkan untuk pembalikan magnetisasi suatu satuan massa per satuan volume material per detik.
Di mana F – frekuensi AC,T– periode osilasi.
Magnetostriksi
Magnetostriksi – fenomena perubahan dimensi geometris dan bentuk feromagnet ketika besarnya medan magnet berubah, mis. ketika dimagnetisasi. Perubahan relatif dalam dimensi materialΔ aku/ akubisa positif dan negatif. Nikel memiliki magnetostriksi kurang dari nol dan mencapai nilai 0,004%.
Sesuai dengan prinsip Le Chatelier dalam menangkal pengaruh sistem faktor eksternal, dalam upaya mengubah keadaan ini, deformasi mekanis feromagnet, yang menyebabkan perubahan ukurannya, akan mempengaruhi magnetisasi bahan-bahan ini.
Jika, selama magnetisasi, suatu benda mengalami ke arah ini kontraksi ukurannya, maka penerapan tegangan tekan mekanis ke arah ini mendorong magnetisasi, dan peregangan mempersulit magnetisasi.
6.2. Klasifikasi bahan feromagnetik
Semua bahan feromagnetik dibagi menjadi dua kelompok berdasarkan perilakunya dalam medan magnet.
Magnetik lembut – dengan permeabilitas magnetik yang tinggiμ dan kekuatan koersif yang rendahN KE< 10Pagi. Mereka mudah termagnetisasi dan mengalami kerusakan magnetik. Mereka memiliki kerugian histeresis yang rendah, mis. loop histeresis sempit.
Karakteristik magnetik bergantung pada kemurnian kimia dan derajat distorsi struktur kristal. Semakin sedikit pengotornya(DENGAN, R, S, HAI, T) , semakin tinggi tingkat karakteristik material, oleh karena itu perlu untuk menghilangkannya dan oksida selama produksi feromagnet, dan berusaha untuk tidak merusak struktur kristal material.
Bahan magnet keras – punya yang hebatN K > 0,5 MA/m dan induksi sisa (DI DALAM TENTANG ≥ 0,1T). Mereka berhubungan dengan loop histeresis yang luas. Mereka termagnetisasi dengan susah payah, tetapi mereka dapat mempertahankan energi magnet selama beberapa tahun, yaitu. berfungsi sebagai sumber medan magnet konstan. Oleh karena itu, magnet permanen dibuat darinya.
Berdasarkan komposisinya, semua bahan magnetik dibagi menjadi:
· logam;
· bukan logam;
· magnetodielektrik.
Bahan magnetik logam - ini adalah logam murni (besi, kobalt, nikel) dan paduan magnetik dari beberapa logam.
Untuk non-logam bahan meliputi ferit, diperoleh dari bubuk oksida besi dan logam lainnya. Mereka ditekan dan dibakar pada suhu 1300 - 1500 °C dan berubah menjadi bagian magnet monolitik padat. Ferit, seperti bahan magnet logam, dapat bersifat magnetis lunak atau magnet keras.
Magnetodielektrik – ini adalah material komposit dari 60–80% bahan magnetik bubuk dan 40–20% dielektrik organik. Ferit dan magnetodielektrik memiliki nilai yang besar resistivitas listrik (ρ = 10 10 8 Ohm m), resistansi tinggi dari bahan-bahan ini memastikan kehilangan energi dinamis yang rendah dalam medan elektromagnetik bolak-balik dan memungkinkannya digunakan secara luas dalam teknologi frekuensi tinggi.
6.3.1. Logam magnetis yang lembut bahan
Bahan magnetik lunak metalik termasuk besi karbonil, permalloy, alsifer dan baja silikon rendah karbon.
Besi karbonil – diperoleh dengan dekomposisi termal cairan besi pentakarbonilF e( BERSAMA ) 5 untuk mendapatkan partikel bubuk besi murni:
F e( BERSAMA ) 5 → Fe+ 5 CO,
pada suhu sekitar 200°Cdan tekanan 15 MPa. Partikel besi berbentuk bulat dengan ukuran 1 – 10 mikron. Untuk menghilangkan partikel karbon, serbuk besi dikenai perlakuan panas di suatu lingkungan N 2 .
Permeabilitas magnet besi karbonil mencapai 20.000, gaya koersifnya 4,5¸ 6,2Pagi. Serbuk besi digunakan untuk membuat frekuensi tinggi magnetodielektrik inti, sebagai pengisi pita magnetik.
Permalloi –paduan besi-nikel yang ulet. Untuk meningkatkan properti, tambahkan Mo, DENGAN R, Cu, memproduksi permalloy yang diolah. Mereka memiliki keuletan yang tinggi dan mudah digulung menjadi lembaran dan strip hingga 1 mikron.
Jika kandungan nikel pada permalloy 40 - 50% maka disebut nikel rendah, jika 60 - 80% - nikel tinggi.
Permalloy punya tingkat tinggi karakteristik magnetik, yang dijamin tidak hanya oleh komposisi dan kemurnian kimia yang tinggi dari paduan, tetapi juga melalui perlakuan vakum termal khusus. Permalloy memiliki tingkat permeabilitas magnetik awal yang sangat tinggi dari 2000 hingga 30000 (tergantung komposisi) di wilayah medan lemah, hal ini disebabkan oleh rendahnya besaran magnetostriksi dan isotropi sifat magnetik. Supermalloy memiliki karakteristik yang sangat tinggi, permeabilitas magnetik awal yaitu 100.000, dan maksimum mencapai 1,5· 10 6 jam B= 0,3 T.
Permalloy tersedia dalam bentuk strip, lembaran dan batang. Permalloy nikel rendah digunakan untuk pembuatan inti induktor, transformator berukuran kecil dan amplifier magnetik, nikel tinggi permalloi – untuk bagian peralatan yang beroperasi pada frekuensi sonik dan supersonik. Karakteristik magnetik permalloy stabil pada –60 +60°C.
Alsifera – rapuh yang tidak mudah dibentuk paduan komposisi Al – Ya– Fe , terdiri dari 5,5 – 13%Al, 9 – 10 % Ya, sisanya adalah besi. Alsifer memiliki sifat yang mirip dengan permalloy, tetapi lebih murah. Inti cor dibuat darinya, layar magnetik dan bagian berongga lainnya dengan ketebalan dinding minimal 2-3 mm dicetak. Kerapuhan alsifer membatasi area penerapannya. Memanfaatkan kerapuhan alsifer, ia digiling menjadi bubuk, yang digunakan sebagai pengisi feromagnetik dalam pengepresan frekuensi tinggi. magnetodielektrik(inti, cincin).
Baja Karbon Rendah Silikon (baja listrik) – paduan besi dan silikon (0,8 - 4,8%Ya). Bahan magnet lunak utama untuk penggunaan massal. Bahan ini mudah digulung menjadi lembaran dan strip berukuran 0,05 - 1 mm dan merupakan bahan yang murah. Silikon, yang ditemukan dalam baja dalam keadaan terlarut, mempunyai dua fungsi.
· Dengan meningkatkan resistivitas baja, silikon menyebabkan pengurangan kerugian dinamis yang berhubungan dengan arus eddy. Resistensi meningkat karena pembentukan silika SiO 2 sebagai akibat dari reaksi tersebut
2 FeO + S saya→ 2Fe+ SiO 2 .
· Kehadiran silikon yang terlarut dalam baja mendorong dekomposisi sementit Fe 3C – pengotor berbahaya yang mengurangi karakteristik magnet, dan pelepasan karbon dalam bentuk grafit. Dalam hal ini, besi murni terbentuk, pertumbuhan kristalnya meningkatkan tingkat karakteristik magnetik baja.
Pemasukan silikon ke dalam baja dalam jumlah melebihi 4,8% tidak dianjurkan, karena, selain membantu meningkatkan karakteristik magnetik, silikon secara tajam meningkatkan kerapuhan baja dan mengurangi sifat mekaniknya.
6.3.2. Bahan magnetik keras metalik
Bahan magnetik keras - ini adalah feromagnet dengan gaya koersif tinggi (lebih dari 1 kA/m) dan nilai induksi magnet sisa yang besarDI DALAM TENTANG. Digunakan untuk membuat magnet permanen.
Tergantung pada komposisi, kondisi dan metode produksinya, mereka dibagi menjadi:
· baja paduan martensit;
· melemparkan paduan magnetik keras.
Baja paduan martensit – ini tentang baja karbon dan baja paduanKr, W, Co, Mo . Karbon baja menua dengan cepat dan mengubah sifat-sifatnya, sehingga jarang digunakan untuk pembuatan magnet permanen. Untuk pembuatan magnet permanen, baja paduan digunakan - tungsten dan kromium (N C ≈ 4800 Pagi,DI DALAM HAI ≈ 1 T), yang diproduksi dalam bentuk batang dengan berbagai bentuk bagian. Baja kobalt memiliki koersivitas yang lebih tinggi (N C ≈ 12000 Pagi,DI DALAM HAI ≈ 1 T) dibandingkan dengan tungsten dan kromium. Kekuatan koersif N DENGAN baja kobalt meningkat dengan meningkatnya konten DENGAN HAI.
Tuangkan paduan magnetik keras. Peningkatan sifat magnetik paduan disebabkan oleh komposisi yang dipilih secara khusus dan perlakuan khusus - pendinginan magnet setelah pengecoran dalam medan magnet yang kuat, serta perlakuan panas multi-tahap khusus dalam bentuk pendinginan dan temper dalam kombinasi dengan magnet. perlakuan yang disebut pengerasan dispersi.
Tiga kelompok utama paduan yang digunakan untuk pembuatan magnet permanen:
· Paduan besi – kobalt – molibdenum jenis remalloy dengan kekuatan koersifN K = 12 – 18 kA/m.
· Kelompok paduan:
§ tembaga – nikel – besi;
§ tembaga – nikel – kobalt;
§ besi - mangan, paduanaluminium atau titanium;
§ besi – kobalt – vanadium (F e– Co – V).
Paduan tembaga - nikel - besi disebut Kunife (DENGAN kamu– Tidak - Fe). Paduan F e– Co – V (besi - kobalt - vanadium) disebut vikala . Paduan golongan ini mempunyai kekuatan koersif N KE = 24 – 40 kA/m. Tersedia dalam bentuk kawat dan lembaran.
· Sistem paduan besi – nikel – aluminium(F e – Tidak– Al), sebelumnya dikenal sebagai paduan alni. Paduan mengandung 20 - 33% Ni + 11 – 17% Al, sisanya adalah besi. Menambahkan kobalt, tembaga, titanium, silikon, dan niobium ke dalam paduan meningkatkan sifat magnetiknya, memfasilitasi teknologi manufaktur, memastikan pengulangan parameter, dan meningkatkan sifat mekanik. Penandaan merek modern berisi huruf yang menunjukkan logam tambahan (Y - aluminium, N - nikel, D - tembaga, K - kobalt, T - titanium, B - niobium, C - silikon), angka - kandungan unsur, huruf yang muncul sebelum nomor, misalnya UNDC15.
Paduan mempunyai nilai koersivitas yang tinggi N KE = 40 – 140 kA/m dan energi magnet yang tersimpan besar.
6.4. Bahan magnetik non-logam. Ferit
Ferit adalah bahan feromagnetik keramik dengan konduktivitas elektronik rendah. Konduktivitas listrik yang rendah dikombinasikan dengan karakteristik magnet yang tinggi memungkinkan ferit digunakan secara luas pada frekuensi tinggi.
Ferit dibuat dari campuran bubuk yang terdiri dari oksida besi dan oksida logam lain yang dipilih secara khusus. Mereka ditekan dan kemudian disinter suhu tinggi. Umum rumus kimia memiliki bentuk:
SayaO Fe 2 O 3 atau MeFe 2 O 4,
Di mana Ya ampunsimbol logam divalen.
Misalnya,
ZnO Fe 2 O 3 atau
NiO Fe 2 O 3 atau NiFe 2 HAI 4
Ferit memiliki kisi tipe spinel kubikMgOAl 2 HAI 3 - magnesium aluminat.Tidak semua ferit bersifat magnetis. Adanya sifat kemagnetan dikaitkan dengan susunan ion logam dalam kisi kubik spinel. Jadi sistemnyaZnFe 2 HAI 4 tidak memiliki sifat feromagnetik.
Ferit diproduksi menurut teknologi keramik. Oksida logam bubuk asli dihancurkan di ball mill, ditekan dan dibakar dalam tungku. Briket yang disinter digiling menjadi bubuk halus, dan ditambahkan bahan pemlastis, misalnya larutan polivinil alkohol. Dari massa yang dihasilkan, produk ferit ditekan - inti, cincin, yang dibakar di udara pada suhu 1000 - 1400 ° C. Produk yang dihasilkan keras, rapuh, sebagian besar berwarna hitam hanya dapat diproses dengan cara digiling dan dipoles.
Magnetik lembut ferit
Magnetik lembutFerit banyak digunakan dalam bidang elektronik frekuensi tinggi dan pembuatan instrumen untuk pembuatan filter, trafo untuk amplifier frekuensi rendah dan tinggi, antena untuk perangkat pemancar dan penerima radio, trafo pulsa, dan modulator magnetik. Diproduksi oleh industri jenis berikut ferit magnet lunak dengan berbagai sifat magnet dan listrik: nikel - seng, mangan - seng, dan litium - seng. Batas atas frekuensi penggunaan ferit bergantung pada komposisinya dan bervariasi merek yang berbeda ferit dari 100 kHz hingga 600 MHz, koersivitasnya sekitar 16 A/m.
Keuntungan ferit adalah stabilitas karakteristik magnetik dan relatif mudahnya pembuatan komponen radio. Seperti semua bahan feromagnetik, ferit mempertahankan sifat magnetnya hanya sampai suhu Curie, yang bergantung pada komposisi ferit dan berkisar antara 45° hingga 950°C.
Ferit magnet keras
Untuk pembuatan magnet permanen, ferit magnet keras paling banyak digunakan; ferit barium (VaO 6 Fe 2 O 3 ). Mereka memiliki struktur kristal heksagonal dengan ukuran besarN KE . Barium ferit adalah bahan polikristalin. Mereka bisa bersifat isotropik - sifat ferit yang sama ke segala arah disebabkan oleh fakta bahwa partikel kristal berorientasi secara sewenang-wenang. Jika selama proses pengepresan magnet, massa bubuk terkena medan magnet luar berintensitas tinggi, maka partikel kristal ferit akan berorientasi pada satu arah, dan magnet akan bersifat anisotropik.
Barium ferit dicirikan oleh stabilitas karakteristiknya yang baik, tetapi sensitif terhadap perubahan suhu dan tekanan mekanis. Magnet barium ferit harganya murah.
6.5. Magnetodielektrik
Magnetodielektrik - ini adalah material komposit yang terdiri dari partikel halus bahan magnet lunak yang diikat satu sama lain oleh dielektrik organik atau anorganik. Besi karbonil, alsifer dan beberapa jenis permalloy, dihancurkan hingga menjadi bubuk, digunakan sebagai bahan magnet lunak.
Polystyrene, resin Bakelite, gelas cair, dll digunakan sebagai dielektrik.
Tujuan dielektrik tidak hanya untuk menghubungkan partikel-partikel bahan magnetis, tetapi juga untuk mengisolasinya satu sama lain, dan akibatnya, untuk meningkatkan nilai resistivitas listrik secara tajam. magnetodielektrik. Resistivitas listrikRmagnetodielektrikadalah 10 3 – 10 4 Ohm× M
Magnetodielektrikdigunakan untuk pembuatan inti untuk komponen peralatan radio frekuensi tinggi. Proses pembuatan produk lebih sederhana dibandingkan dari ferit, karena mereka tidak memerlukan perlakuan panas suhu tinggi. Produk dari magnetodielektrik Mereka dibedakan oleh stabilitas sifat magnetik yang tinggi, kebersihan permukaan kelas tinggi, dan akurasi dimensi.
Magnetodielektrik yang diisi dengan molibdenum permalloy atau besi karbonil memiliki karakteristik magnetik tertinggi.
Disebut permeabilitas magnetik . Magnetik mutlakpermeabilitas lingkungan adalah rasio B terhadap H. Menurut Sistem Satuan Internasional, diukur dalam satuan yang disebut 1 henry per meter.
Nilai numeriknya dinyatakan dengan rasio nilainya terhadap nilai permeabilitas magnetik ruang hampa dan dilambangkan dengan µ. Nilai ini disebut magnetis relatifpermeabilitas(atau sekadar permeabilitas magnetik) lingkungan. Sebagai besaran relatif, ia tidak memiliki satuan ukuran.
Oleh karena itu, permeabilitas magnet relatif µ adalah nilai yang menunjukkan berapa kali induksi medan suatu medium tertentu lebih kecil (atau lebih besar) daripada induksi medan magnet vakum.
Ketika suatu zat terkena medan magnet luar, zat tersebut menjadi termagnetisasi. Bagaimana ini bisa terjadi? Menurut hipotesis Ampere, arus listrik mikroskopis terus bersirkulasi di setiap zat, yang disebabkan oleh pergerakan elektron dalam orbitnya dan kehadirannya sendiri. Dalam kondisi normal, pergerakan ini tidak teratur, dan medan “padam” (mengkompensasi) satu sama lain . Ketika suatu benda ditempatkan di medan luar, arusnya diatur, dan benda tersebut menjadi termagnetisasi (yaitu, memiliki medannya sendiri).
Permeabilitas magnet semua zat berbeda-beda. Berdasarkan ukurannya, zat dibedakan menjadi tiga kelompok besar.
kamu bahan diamagnetik nilai permeabilitas magnet µ sedikit kurang dari satu. Misalnya, bismut memiliki µ = 0,9998. Diamagnet termasuk seng, timbal, kuarsa, tembaga, kaca, hidrogen, benzena, dan air.
Permeabilitas magnetik paramagnetik sedikit lebih dari satu (untuk aluminium µ = 1,000023). Contoh bahan paramagnetik adalah nikel, oksigen, tungsten, karet keras, platina, nitrogen, udara.
Terakhir, kelompok ketiga mencakup sejumlah zat (terutama logam dan paduan), yang permeabilitas magnetiknya secara signifikan (beberapa kali lipat) melebihi satu. Zat-zat tersebut adalah feromagnet. Ini terutama mencakup nikel, besi, kobalt dan paduannya. Untuk baja µ = 8∙10^3, untuk paduan nikel-besi µ=2.5∙10^5. Ferromagnet memiliki sifat yang membedakannya dengan zat lain. Pertama, mereka memiliki sisa magnet. Kedua, permeabilitas magnetiknya bergantung pada besarnya induksi medan eksternal. Ketiga, untuk masing-masingnya ada ambang suhu tertentu yang disebut Poin Curie, di mana ia kehilangan sifat feromagnetiknya dan menjadi paramagnetik. Untuk nikel titik Curie adalah 360°C, untuk besi - 770°C.
Sifat-sifat feromagnet ditentukan tidak hanya oleh permeabilitas magnet, tetapi juga oleh nilai I yang disebut magnetisasi dari zat ini. Ini adalah fungsi nonlinier kompleks dari induksi magnet; peningkatan magnetisasi dijelaskan oleh garis yang disebut kurva magnetisasi. Dalam hal ini, setelah mencapai titik tertentu, magnetisasi praktis berhenti tumbuh (the saturasi magnetik). Keterlambatan nilai magnetisasi suatu feromagnet terhadap kenaikan nilai induksi medan luar disebut histeresis magnetik. Dalam hal ini, terdapat ketergantungan karakteristik magnetik feromagnet tidak hanya pada keadaannya saat ini, tetapi juga pada magnetisasi sebelumnya. Representasi grafis kurva ketergantungan ini disebut lingkaran histeresis.
Karena sifatnya, feromagnet banyak digunakan dalam teknologi. Mereka digunakan dalam rotor generator dan motor listrik, dalam pembuatan inti transformator dan dalam produksi suku cadang untuk komputer elektronik. Ferromagnet digunakan dalam tape recorder, telepon, pita magnetik dan media lainnya.
Permeabilitas magnetik. Sifat kemagnetan suatu zat
Sifat kemagnetan suatu zat
Seperti halnya sifat kelistrikan suatu zat yang dikarakterisasi konstanta dielektrik, sifat magnetik suatu zat dicirikan permeabilitas magnetik.
Karena kenyataan bahwa semua zat yang terletak di medan magnet menciptakan medan magnetnya sendiri, vektor induksi magnet dalam media homogen berbeda dengan vektor pada titik yang sama di ruang angkasa tanpa adanya media, yaitu dalam ruang hampa.
Hubungan itu disebut permeabilitas magnetik medium.
Jadi, dalam medium homogen, induksi magnet adalah:
Nilai m untuk besi sangatlah besar. Hal ini dapat dibuktikan melalui pengalaman. Jika inti besi dimasukkan ke dalam kumparan panjang, maka induksi magnet menurut rumus (12.1) akan bertambah m kali lipat. Akibatnya, fluks induksi magnet akan meningkat dengan jumlah yang sama. Ketika rangkaian yang memberi makan kumparan magnetisasi dengan arus searah dibuka, arus induksi muncul pada kumparan kecil kedua yang dililitkan di atas kumparan utama, yang dicatat oleh galvanometer (Gbr. 12.1).
Jika inti besi dimasukkan ke dalam kumparan, maka simpangan jarum galvanometer pada saat rangkaian dibuka akan menjadi m kali lebih besar. Pengukuran menunjukkan bahwa fluks magnet ketika inti besi dimasukkan ke dalam kumparan dapat meningkat ribuan kali lipat. Akibatnya, permeabilitas magnetik besi sangat besar.
Ada tiga kelas utama zat dengan sifat kemagnetan yang sangat berbeda: feromagnet, paramagnet, dan bahan diamagnetik.
Feromagnet
Zat yang, seperti besi, m >> 1, disebut feromagnet. Selain besi, kobalt dan nikel bersifat feromagnetik, serta sejumlah unsur tanah jarang dan banyak paduannya. Properti yang paling penting feromagnet - adanya sisa magnet di dalamnya. Zat feromagnetik dapat berada dalam keadaan termagnetisasi tanpa medan magnet eksternal.
Sebuah benda besi (misalnya batang), sebagaimana diketahui, ditarik ke dalam medan magnet, yaitu bergerak ke daerah yang induksi magnetnya lebih besar. Oleh karena itu, ia tertarik pada magnet atau elektromagnet. Hal ini terjadi karena arus-arus elementer pada besi diorientasikan sedemikian rupa sehingga arah induksi medan magnetnya bertepatan dengan arah induksi medan magnet. Akibatnya batang besi tersebut berubah menjadi magnet yang kutub terdekatnya berlawanan dengan kutub elektromagnet. Kutub magnet yang berlawanan tarik menarik (Gbr. 12.2).
Beras. 12.2 
BERHENTI! Putuskan sendiri: A1–A3, B1, B3.
Paramagnet
Ada zat yang berperilaku seperti besi, yaitu ditarik ke dalam medan magnet. Zat-zat tersebut disebut paramagnetik. Ini termasuk beberapa logam (aluminium, natrium, kalium, mangan, platinum, dll.), oksigen dan banyak unsur lainnya, serta berbagai larutan elektrolit.
Karena paramagnet ditarik ke dalam medan, garis induksi medan magnetnya sendiri dan medan magnet diarahkan dengan cara yang sama, sehingga medan tersebut diperkuat. Jadi, mereka mempunyai m > 1. Namun m berbeda dari kesatuan dengan sangat sedikit, hanya dengan jumlah orde 10 –5 ...10 –6. Oleh karena itu, diperlukan medan magnet yang kuat untuk mengamati fenomena paramagnetik.
Diamagnet
Golongan zat khusus adalah bahan diamagnetik, ditemukan oleh Faraday. Mereka didorong keluar dari medan magnet. Jika Anda menggantungkan batang diamagnetik di dekat kutub elektromagnet yang kuat, batang tersebut akan ditolak. Akibatnya, garis-garis induksi medan yang diciptakannya diarahkan berlawanan dengan garis-garis induksi medan magnetisasi, yaitu medan melemah (Gbr. 12.3). Oleh karena itu, untuk bahan diamagnetik m< 1, причем отличается от единицы на величину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков выражены слабее, чем у парамагнетиков.
Penentuan permeabilitas magnetik suatu zat. Perannya dalam menggambarkan medan magnet
Jika kita melakukan percobaan dengan solenoid yang dihubungkan dengan galvanometer balistik, maka ketika arus pada solenoid dihidupkan, kita dapat menentukan nilai fluks magnet F yang sebanding dengan defleksi jarum galvanometer. Mari kita lakukan percobaan dua kali, dan atur arus (I) pada galvanometer menjadi sama, tetapi pada percobaan pertama solenoida tidak memiliki inti, dan pada percobaan kedua, sebelum menyalakan arus, kita akan memperkenalkan inti besi ke dalam solenoid. Diketahui bahwa pada percobaan kedua fluks magnet jauh lebih besar dibandingkan percobaan pertama (tanpa inti). Ketika mengulangi percobaan dengan inti-inti yang berbeda ketebalannya, ternyata aliran maksimum diperoleh ketika seluruh solenoid diisi dengan besi, yaitu belitan dililitkan erat pada inti besi. Anda dapat melakukan percobaan dengan inti yang berbeda. Hasilnya adalah:
dimana $Ф$ adalah fluks magnet pada kumparan berinti, $Ф_0$ adalah fluks magnet pada kumparan tanpa inti. Peningkatan fluks magnet ketika inti dimasukkan ke dalam solenoid dijelaskan oleh fakta bahwa fluks magnet yang menciptakan arus dalam belitan solenoid, ditambahkan fluks magnet yang diciptakan oleh sekumpulan arus molekul ampere yang berorientasi. Di bawah pengaruh medan magnet, arus molekul diorientasikan, dan momen magnet totalnya tidak lagi sama dengan nol, dan medan magnet tambahan muncul.
Definisi
Besaran $\mu $, yang mencirikan sifat magnetik suatu medium, disebut permeabilitas magnetik (atau permeabilitas magnetik relatif).
Ini adalah karakteristik suatu zat yang tidak berdimensi. Peningkatan fluks Ф sebesar $\mu $ kali (1) berarti induksi magnet $\overrightarrow(B)$ di inti adalah beberapa kali lebih besar daripada di ruang hampa dengan arus yang sama di solenoid. Oleh karena itu, kita dapat menulis bahwa:
\[\overrightarrow(B)=\mu (\overrightarrow(B))_0\left(2\right),\]
dimana $(\overrightarrow(B))_0$ adalah induksi medan magnet dalam ruang hampa.
Seiring dengan induksi magnet, yang merupakan karakteristik gaya utama medan, besaran vektor tambahan digunakan sebagai kuat medan magnet ($\overrightarrow(H)$), yang berhubungan dengan $\overrightarrow(B)$ melalui hubungan berikut :
\[\overrightarrow(B)=\mu \overrightarrow(H)\left(3\right).\]
Jika rumus (3) diterapkan pada percobaan dengan inti, kita memperoleh bahwa tanpa adanya inti:
\[(\overrightarrow(B))_0=(\mu )_0\overrightarrow(H_0)\left(4\right),\]
dimana $\mu $=1. Jika ada inti, kita mendapatkan:
\[\overrightarrow(B)=\mu (\mu )_0\overrightarrow(H)\left(5\right).\]
Namun karena (2) terpenuhi, ternyata:
\[\mu (\mu )_0\overrightarrow(H)=(\mu m)_0\overrightarrow(H_0)\to \overrightarrow(H)=\overrightarrow(H_0)\left(6\right).\]
Kami menemukan bahwa kekuatan medan magnet tidak bergantung pada jenis zat homogen apa yang diisi ruang tersebut. Permeabilitas magnetik sebagian besar zat adalah tentang kesatuan, kecuali feromagnet.
Kerentanan magnetik suatu zat
Biasanya vektor magnetisasi ($\overrightarrow(J)$) dikaitkan dengan vektor intensitas pada setiap titik magnet:
\[\overrightarrow(J)=\varkappa \overrightarrow(H)\left(7\right),\]
di mana $\varkappa $ adalah kerentanan magnetis, besaran tak berdimensi. Untuk zat non-feromagnetik dan dalam medan kecil $\varkappa $ tidak bergantung pada kekuatan dan merupakan besaran skalar. Dalam media anisotropik, $\varkappa $ adalah tensor dan arah $\overrightarrow(J)$ dan $\overrightarrow(H)$ tidak bertepatan.
Hubungan antara kerentanan magnetik dan permeabilitas magnetik
\[\overrightarrow(H)=\frac(\overrightarrow(B))((\mu )_0)-\overrightarrow(J)\left(8\right).\]Mari kita substitusikan ekspresi vektor magnetisasi (7) ke dalam (8), dan dapatkan:
\[\overrightarrow(H)=\frac(\overrightarrow(B))((\mu )_0)-\overrightarrow(H)\left(9\right).\]
Mengekspresikan ketegangan, kita mendapatkan:
\[\overrightarrow(H)=\frac(\overrightarrow(B))((\mu )_0\left(1+\varkappa \kanan))\to \overrightarrow(B)=(\mu )_0\left( 1+\varkappa \kanan)\overrightarrow(H)\kiri(10\kanan).\]
Membandingkan ekspresi (5) dan (10), kita memperoleh:
\[\mu =1+\varkappa \kiri(11\kanan).\]
Kerentanan magnetik bisa positif atau negatif. Dari (11) dapat disimpulkan bahwa permeabilitas magnet dapat lebih besar dari satu atau lebih kecil darinya.
Contoh 1
Tugas: Hitung magnetisasi pada pusat kumparan melingkar berjari-jari R=0,1 m dengan kuat arus I=2A, jika dicelupkan ke dalam oksigen cair. Kerentanan magnetik oksigen cair sama dengan $\varkappa =3.4\cdot (10)^(-3).$
Sebagai dasar untuk memecahkan masalah, kita akan mengambil ekspresi yang mencerminkan hubungan antara kekuatan medan magnet dan magnetisasi:
\[\overrightarrow(J)=\varkappa \overrightarrow(H)\left(1.1\right).\]
Mari kita cari medan di tengah kumparan berarus, karena kita perlu menghitung magnetisasi pada titik ini.
Mari kita pilih bagian dasar pada konduktor pembawa arus (Gbr. 1); sebagai dasar untuk menyelesaikan masalah, kita menggunakan rumus kekuatan elemen kumparan pembawa arus:
dimana $\ \overrightarrow(r)$ adalah vektor jari-jari yang ditarik dari elemen arus ke titik yang ditinjau, $\overrightarrow(dl)$ adalah elemen konduktor berarus (arahnya ditentukan oleh arah arus ), $\vartheta$ adalah sudut antara $ \overrightarrow(dl)$ dan $\overrightarrow(r)$. Berdasarkan Gambar. 1 $\vartheta=90()^\circ $, oleh karena itu (1.1) akan disederhanakan, selain itu, jarak dari pusat lingkaran (titik di mana kita mencari medan magnet) elemen konduktor berarus adalah konstan dan sama dengan jari-jari belokan (R), oleh karena itu kita mempunyai:
Vektor kekuatan medan magnet yang dihasilkan diarahkan sepanjang sumbu X, dapat ditemukan sebagai jumlah dari vektor individu $\ \ \overrightarrow(dH),$ karena semua elemen arus menciptakan medan magnet di tengah belokan, diarahkan sepanjang normal belokannya. Kemudian, berdasarkan prinsip superposisi, kekuatan medan magnet total dapat diperoleh dengan meneruskan ke integral:
Substitusikan (1.3) ke (1.4), kita peroleh:
Mari kita cari magnetisasinya, jika kita substitusikan intensitas dari (1,5) ke (1,1), kita peroleh:
Semua satuan diberikan dalam sistem SI, mari kita lakukan perhitungan:
Jawaban: $J=3,4\cdot (10)^(-2)\frac(A)(m).$
Contoh 2
Tugas: Hitung fraksi total medan magnet pada batang tungsten yang berada dalam medan magnet seragam luar, yang ditentukan oleh arus molekul. Permeabilitas magnetik tungsten adalah $\mu =1,0176.$
Induksi medan magnet ($B"$), yang menjelaskan arus molekul, dapat ditemukan sebagai:
dimana $J$ adalah magnetisasi. Hal ini terkait dengan kekuatan medan magnet dengan ekspresi:
dimana kerentanan magnetik suatu zat dapat ditemukan sebagai:
\[\varkappa =\mu -1\ \kiri(2.3\kanan).\]
Oleh karena itu, kita menemukan medan magnet arus molekul sebagai:
Total bidang di batang dihitung sesuai dengan rumus:
Kami menggunakan ekspresi (2.4) dan (2.5) untuk menemukan hubungan yang diperlukan:
\[\frac(B")(B)=\frac((\mu )_0\kiri(\mu -1\kanan)H)(\mu (\mu )_0H)=\frac(\mu -1) (\mu).\]
Mari kita lakukan perhitungannya:
\[\frac(B")(B)=\frac(1,0176-1)(1,0176)=0,0173.\]
Jawaban:$\frac(B")(B)=0,0173.$
Momen magnet adalah besaran vektor utama yang mencirikan sifat kemagnetan suatu zat. Karena sumber magnet adalah arus tertutup, besarnya momen magnet M didefinisikan sebagai produk arus SAYA ke area yang dicakup oleh rangkaian arus S:
M = Saya×S A×m 2 .
Kulit elektron atom dan molekul memiliki momen magnet. Elektron dan lain-lain partikel elementer memiliki momen magnet putaran, ditentukan oleh keberadaan momen mekanisnya sendiri - putaran. Momen spin magnet suatu elektron dapat diorientasikan dalam medan magnet luar sedemikian rupa sehingga hanya dua proyeksi momen yang sama besar dan berlawanan arah ke arah vektor kuat medan magnet yang mungkin, sama magnet Bohr– 9,274×10 -24 SEBUAH×m 2 .
- Definisikan konsep “magnetisasi” suatu zat.
Magnetisasi – J- adalah momen magnet total per satuan volume suatu zat:
- Definisikan konsep "kerentanan magnetik".
Kerentanan magnetik suatu zat, א v – perbandingan magnetisasi suatu zat dengan kuat medan magnet per satuan volume:
אv = , besaran yang tidak berdimensi.
Kerentanan magnetik spesifik, א – rasio kerentanan magnetik terhadap kepadatan suatu zat, mis. kerentanan magnetik suatu satuan massa, diukur dalam m 3 /kg.
- Definisikan konsep "permeabilitas magnetik".
Permeabilitas magnetik, μ – Ini kuantitas fisik, mencirikan perubahan induksi magnet ketika terkena medan magnet . Untuk media isotropik, permeabilitas magnet sama dengan rasio induksi dalam medium DI DALAM terhadap kekuatan medan magnet luar N dan ke konstanta magnet μ 0 :
Permeabilitas magnetik adalah besaran yang tidak berdimensi. Nilainya untuk medium tertentu adalah 1 lebih besar dari kerentanan magnetis medium yang sama:
μ = אv+1, karena B = μ 0 (H + J).
- Berikan klasifikasi bahan berdasarkan sifat kemagnetannya.
Berdasarkan struktur kemagnetannya dan nilai permeabilitas (kerentanan) kemagnetannya, bahan dibedakan menjadi:
Diamagnet μ< 1 (bahan “menolak” medan magnet);
Paramagnet μ > 1(bahan tersebut merasakan medan magnet dengan lemah);
Feromagnet μ >> 1(medan magnet pada material meningkat);
Ferrimagnet μ >> 1(medan magnet pada material meningkat, tetapi struktur magnet material berbeda dengan struktur feromagnet);
Antiferromagnet μ ≈ 1(bahan bereaksi lemah terhadap medan magnet, meskipun struktur magnetnya mirip dengan ferrimagnet).
- Menjelaskan sifat diamagnetisme.
Diamagnetisme adalah sifat suatu zat untuk menjadi magnet terhadap arah medan magnet luar yang bekerja padanya (sesuai dengan hukum induksi elektromagnetik dan aturan Lenz). Diamagnetisme adalah karakteristik semua zat, tetapi dalam “bentuk murni” ia memanifestasikan dirinya dalam zat diamagnetik. Diamagnet adalah zat yang molekulnya tidak mempunyai momen magnet sendiri (momen magnet totalnya nol), sehingga tidak mempunyai sifat lain selain diamagnetisme. Contoh bahan diamagnetik:
Hidrogen, א = - 2×10 -9 m 3 /kg.
Air, ya = - 0,7×10 -9 m 3 /kg.
Berlian, ya = - 0,5×10 -9 m 3 /kg.
Grafit, א = - 3×10 -9 m 3 /kg.
Tembaga, א = - 0,09×10 -9 m 3 /kg.
Seng, א = - 0,17×10 -9 m 3 /kg.
Perak, ya = - 0,18×10 -9 m 3 /kg.
Emas, ya = - 0,14×10 -9 m 3 /kg.
43. Mendeskripsikan sifat paramagnetisme.
Paramagnetisme adalah sifat zat yang disebut paramagnet, yang bila ditempatkan dalam medan magnet luar, memperoleh momen magnet yang bertepatan dengan arah medan tersebut. Atom dan molekul bahan paramagnetik, tidak seperti bahan diamagnetik, memiliki momen magnetnya sendiri. Dengan tidak adanya medan, orientasi momen-momen ini menjadi kacau (akibat gerakan termal) dan momen magnet total zat adalah nol. Ketika medan luar diterapkan, momen magnet partikel sebagian berorientasi pada arah medan, dan magnetisasi J ditambahkan ke kuat medan luar H: B = μ 0 (H + J). Induksi pada zat meningkat. Contoh bahan paramagnetik:
Oksigen, ya = 108×10 -9 m 3 /kg.
Titan, ya = 3×10 -9 m 3 /kg.
Aluminium, ya = 0,6×10 -9 m 3 /kg.
Platinum, ya = 0,97×10 -9 m 3 /kg.
44.Jelaskan sifat feromagnetisme.
Ferromagnetisme adalah keadaan suatu zat yang tertata secara magnetis di mana semua momen magnetik atom-atom dalam volume zat (domain) tertentu adalah paralel, yang menyebabkan magnetisasi domain secara spontan. Munculnya keteraturan magnet dikaitkan dengan interaksi pertukaran elektron yang bersifat elektrostatis (hukum Coulomb). Dengan tidak adanya medan magnet luar, orientasi momen magnet dari berbagai domain dapat berubah-ubah, dan volume materi yang dipertimbangkan dapat memiliki magnetisasi yang lemah atau nol secara keseluruhan. Ketika medan magnet diterapkan, momen magnet domain berorientasi sepanjang medan, semakin besar kekuatan medannya. Dalam hal ini, nilai permeabilitas magnet feromagnet berubah dan induksi pada zat meningkat. Contoh feromagnet:
Besi, nikel, kobalt, gadolinium
dan paduan logam-logam tersebut satu sama lain dan dengan logam lain (Al, Au, Cr, Si, dll). μ ≈ 100…100000.
45. Jelaskan sifat ferrimagnetisme.
Ferrimagnetisme adalah keadaan materi yang tertata secara magnetis di mana momen magnet atom atau ion terbentuk dalam volume materi (domain) subkisi magnetik atom atau ion tertentu dengan total momen magnet yang tidak sama satu sama lain dan berarah antiparalel. Ferrimagnetisme dapat dianggap sebagai kasus paling umum dari keadaan yang tertata secara magnetis, dan feromagnetisme sebagai kasus pada subkisi tunggal. Komposisi ferrimagnet harus mencakup atom feromagnetik. Contoh ferrimagnet:
Fe 3 HAI 4 ; MgFe 2 HAI 4 ; CuFe 2 O 4 ; MnFe 2 O 4; NiFe 2 HAI 4 ; CoFe2O4...
Permeabilitas magnet ferrimagnet memiliki urutan yang sama dengan feromagnet: μ ≈ 100…100000.
46.Jelaskan sifat antiferromagnetisme.
Antiferromagnetisme adalah keadaan suatu zat yang tertata secara magnetis, dicirikan oleh fakta bahwa momen magnetik partikel-partikel tetangga zat tersebut berorientasi antiparalel, dan tanpa adanya medan magnet luar, magnetisasi total zat tersebut adalah nol. Sehubungan dengan struktur magnetiknya, antiferromagnet dapat dianggap sebagai kasus khusus ferrimagnet, di mana momen magnetik subkisi sama besarnya dan antiparalel. Permeabilitas magnetik antiferromagnet mendekati 1. Contoh antiferromagnet:
Kr 2 HAI 3; mangan; FeSi; Fe 2 O 3; NiO……… μ ≈ 1.
47.Berapa nilai permeabilitas magnet untuk bahan dalam keadaan superkonduktor?
Superkonduktor di bawah suhu superjunction adalah diamagnet ideal:
א= - 1; μ = 0.
