Propriedades dos materiais ferromagnéticos e sua aplicação na tecnologia
Ao redor de um fio com corrente elétrica, mesmo no vácuo, existe campo magnético… E se uma substância for introduzida neste campo, o campo magnético mudará, pois qualquer substância em um campo magnético é magnetizada, ou seja, adquire um momento magnético maior ou menor, definido como a soma dos momentos magnéticos elementares associados a partes que compõem essa substância.
A essência do fenômeno reside no fato de que as moléculas de muitas substâncias têm seus próprios momentos magnéticos, porque as cargas se movem dentro das moléculas, que formam correntes circulares elementares e, portanto, são acompanhadas por campos magnéticos. Se nenhum campo magnético externo for aplicado à substância, os momentos magnéticos de suas moléculas serão orientados aleatoriamente no espaço e o campo magnético total (assim como o momento magnético total das moléculas) dessa amostra será zero.
Se a amostra for introduzida em um campo magnético externo, a orientação dos momentos magnéticos elementares de suas moléculas adquirirá uma direção preferencial sob a influência do campo externo. Como resultado, o momento magnético total da substância não será mais zero, pois os campos magnéticos de moléculas individuais em novas condições não se compensam. Assim, a substância desenvolve um campo magnético B.
Se as moléculas de uma substância inicialmente não possuem momentos magnéticos (existem tais substâncias), quando tal amostra é introduzida em um campo magnético, correntes circulares são induzidas nela, ou seja, as moléculas adquirem momentos magnéticos, que novamente, como resultado, leva ao aparecimento de campos magnéticos totais B.
A maioria das substâncias conhecidas é fracamente magnetizada em um campo magnético, mas também existem substâncias que se distinguem por fortes propriedades magnéticas, são chamadas de ferromagnetos… Exemplos de ferromagnetos: ferro, cobalto, níquel e suas ligas.
Os ferromagnetos incluem sólidos que em baixas temperaturas têm uma magnetização espontânea (espontânea) que varia significativamente sob a influência de um campo magnético externo, deformação mecânica ou mudança de temperatura. É assim que o aço e o ferro, o níquel e o cobalto e as ligas se comportam. Sua permeabilidade magnética é milhares de vezes maior que a do vácuo.
Por isso, na engenharia elétrica, para conduzir fluxo magnético e converter energia, é tradicionalmente utilizado núcleos magnéticos feitos de materiais ferromagnéticos.
Em tais substâncias, as propriedades magnéticas dependem das propriedades magnéticas dos portadores elementares do magnetismo - elétrons se movendo dentro dos átomos… Claro, os elétrons que se movem em órbitas em átomos ao redor de seus núcleos formam correntes circulares (dipolos magnéticos). Mas, neste caso, os elétrons também giram em torno de seus eixos, criando momentos magnéticos de spin, que simplesmente desempenham o papel principal na magnetização dos ferromagnetos.
As propriedades ferromagnéticas se manifestam apenas quando a substância está em estado cristalino. Além disso, essas propriedades são altamente dependentes da temperatura, pois o movimento térmico impede a orientação estável dos momentos magnéticos elementares. Assim, para cada ferroímã, é determinada uma temperatura específica (ponto Curie) na qual a estrutura de magnetização é destruída e a substância se torna um paraímã. Por exemplo, para o ferro é 900 ° C.
Mesmo em campos magnéticos fracos, os ferromagnetos podem ser magnetizados até a saturação. Além disso, sua permeabilidade magnética depende da magnitude do campo magnético externo aplicado.
No início do processo de magnetização indução magnética B torna-se mais forte em um ferromagnético, o que significa permeabilidade magnética é ótimo. Mas quando ocorre a saturação, aumentar ainda mais a indução magnética do campo externo não leva mais a um aumento do campo magnético do ferroímã e, portanto, a permeabilidade magnética da amostra diminuiu, agora tende a 1.
Uma propriedade importante dos ferromagnetos é restante… Suponha que uma haste ferromagnética seja colocada na bobina e, aumentando a corrente na bobina, ela seja levada à saturação. Em seguida, a corrente na bobina foi desligada, ou seja, o campo magnético da bobina foi removido.
Será possível notar que a haste não está desmagnetizada ao estado em que estava no início, seu campo magnético será maior, ou seja, haverá uma indução residual. A haste foi girada dessa maneira a um imã permanente.
Para desmagnetizar tal haste, será necessário aplicar a ela um campo magnético externo com direção oposta e com uma indução igual à indução residual. O valor do módulo de indução do campo magnético que deve ser aplicado a um ferroímã magnetizado (ímã permanente) para desmagnetizá-lo é denominado força coercitiva.
As curvas de magnetização (loops de histerese) para diferentes materiais ferromagnéticos diferem umas das outras.
Alguns materiais têm laços de histerese largos - são materiais com alta magnetização residual, são chamados de materiais magneticamente duros. Materiais magnéticos duros são usados na fabricação de ímãs permanentes.
Pelo contrário, os materiais magnéticos macios têm um loop de histerese estreito, baixa magnetização residual e são facilmente magnetizados em campos fracos. Estes são materiais magnéticos macios que são usados como núcleos magnéticos de transformadores, estatores de motores, etc.
Os ferromagnetos desempenham um papel muito importante na tecnologia hoje. Materiais magnéticos macios (ferritas, aço elétrico) são usados em motores e geradores elétricos, em transformadores e bobinas, bem como em engenharia de rádio. As ferritas são feitas de núcleos indutores.
Materiais magnéticos duros (ferritas de bário, cobalto, estrôncio, neodímio-ferro-boro) são usados para fazer ímãs permanentes. Os ímãs permanentes são amplamente utilizados em instrumentos elétricos e acústicos, em motores e geradores, em bússolas magnéticas, etc.