2019 november 22 - péntek

2.4.22.1. A mágnesesség alapjai

Mielőtt megismerkednénk a Mágneses Teljesítmény Modul szabadalmával, érdemes felidéznünk a mágnesességről tanultakat.

Az anyagok különböző mágneses tulajdonságainak megértéséhez és magyarázatához két tényt kell figyelembe venni:

  • az elektromos áram mágneses teret hoz létre a környezetében
  • az elektronok (elektromos töltések) pontosan meghatározott pályákon keringenek az atommag körül, és közben saját tengelyük körüli forgást is végeznek.

Abból, hogy az elektromos áram mágneses teret kelt, már korán arra következtettek (Oersted, 1820), hogy az anyagok mágneses tulajdonságait elemi áramok határozzák meg (Ampere, 1825). Ezt a felfedezést erősítette meg Bohr 1913-ban megalkotott atommodellje is, amely szerint egy pozitív töltésű mag körül negatív töltésű elektronok keringenek jól meghatározott pályákon. Az e töltésű, v sebességgel keringő elektron keltette áram hatására H térerősségű mágneses tér alakul ki (1. ábra).

Magnes1 2.4.22.1. A mágnesesség alapjai

1. ábra. A keringő elektron i elektromos áramot képvisel, és H mágneses teret kelt. Érvényes a következő összefüggés: töltés x sebesség = Asm/s = Am

További kutatások során megállapították, hogy az elektronok a pályakeringésen kívül saját tengely körüli forgást is végeznek, amit spinnek neveznek. A klasszikus szemlélet szerint, de a kvantummechanikai értelmezés alapján is az elektron (a többi elemi részecskéhez hasonlóan) hullámtermészetű, amire a forgás nem értelmezhető. Ezért a spint célszerű az elektronra jellemző, más adatoktól független mechanikai adatnak tekinteni. Ebből a forgó mozgásból is származik egy, a mágneses viselkedést erősen meghatározó mágneses momentum. A mágneses momentum arra utal, hogy az atom mágneses dipólust képez. A rúdmágnes pl. mágneses dipólus.

Az atom mágneses momentumának tehát két összetevője van:

  • a spinből eredő, és
  • a mag körül keringő elektronokból eredő mágneses momentum.

Ezekhez járul még a mag saját mágneses momentuma, amelynek hatása nagyon csekély, ezért az első két tényező mellett általában elhanyagolható.

A különböző anyagok viselkedését külső mágneses térben csak az atom mágneses momentumának nagysága és iránya határozza meg.

Ilyenkor az elektronok forgását és mag körüli keringését megzavarja, hogy mágneses terük a külső térrel együtt eredő teret alkot. Ez erőt gyakorol a kialakult "pörgettyűre", amely mint minden erőhatás alatt álló pörgettyű, precessziós mozgást végez. Az így kialakult mozgásból származó mágneses momentum iránya a külső térrel ellentétes.

Ha külső mágneses térbe próbatestet helyezünk, akkor az eredő mező és a test viselkedése csak atomjainak saját mágneses momentumától függ.

Diamágnesség

A diamágneses anyagok jellegzetes tulajdonsága, hogy bennük a spin- és a pályamomentum semlegesítik egymást, ezért normális állapotukban nincs kifelé irányuló mágneses momentumuk. Korábban már említettük, hogy csak külső tér hatására alakul ki egy azzal ellentétes irányú eredő mágneses mező.

Ha diamágneses anyagból készült próbatestet homogén mágneses térbe helyezünk, akkor a próbatestnek a külső tér hatására kialakuló, azzal ellentétes irányú tere a homogén térrel összegződik és gyengíti azt. A térerősség a test közelében csökken.

Magnes2 2.4.22.1. A mágnesesség alapjai

2. ábra. A diamágneses anyagból készült próbatest hatására a környező homogén mágneses tér mintegy elvékonyodik a test közvetlen környezetében

A relatív permeabilitása 1-nél kisebb, de 1-hez nagyon közeli érték, a szuszceptibilitása pedig negatív. Mindkettő a mágneses térerősségtől és a hőmérséklettől független anyagállandó. A leírt módon viselkedő anyagokat diamágnesnek nevezzük. A legtöbb nemfémes szilárd test (pl. üveg), valamint pl. a réz, arany, ezüst, cink, higany, germánium és ólom diamágneses. Az ilyen anyagokat az erősen inhomogén mágneses tér taszítja.

Paramágnesség

Egyes anyagokban a kétféle mágneses momentum (a spin és a pályamomentum) nem semlegesíti egymást teljesen. Ez azt jelenti, hogy az anyag minden atomjának van mágneses momentuma, azaz mágneses dipólusként viselkedik. Az ilyen próbatest önmagában mégsem mutat mágneses tulajdonságokat, mert az atomok mágneses nyomatékai statisztikailag rendszertelen irányokba mutatnak.

Külső mágneses tér hatására azonban a próbatest atomjainak momentumai a tér irányába rendeződnek (paramágneses hatás). Ehhez az szükséges, hogy a külső tér elég erős legyen a hőmozgás leküzdésére. Ha ez teljesül, akkor az atomok nyomatékainak rendeződése csökkenti a mágneses ellenállást, azaz növeli a fluxussűrűséget és ezáltal gyenge (makroszkopikus) mágnesesség tapasztalható. (3. ábra.)

Magnes3 2.4.22.1. A mágnesesség alapjai

3. ábra. A paramágneses próbatest hatására a környező homogén mágneses tér a test közvetlen környezetében sűrűsödik

Természetesen itt is a külső tér irányával ellentétes mágneses mező alakul ki, de hatását a paramágneses jelenség gyengíti. Így az elég erős inhomogén mágneses tér a paramágneses anyagokat vonzza.

A paramágneses anyagok relatív permeabilitása (mr) 1-nél valamivel nagyobb, a szuszceptibilitás pedig pozitív. mr állandó, mivel a növekvő térerősséggel együtt nő az irányított momentumok száma, és ennek megfelelően a B fluxussűrűség is. Telítettség nem lép fel.

mr azonban függ a hőmérséklettől. Már utaltunk rá, hogy a külső tér csak a hőmozgás legyőzésével tudja egy irányba állítani az atomok momentumait, és a hőenergia és a hőenergia a hőmérséklet emelkedésével növekszik. A különböző paramágneses anyagok hőmérsékleti együtthatója más és más.

Paramágneses anyagok: az oxigén, a nátrium, a kálium, az alumínium, a szilícium, az ón és a mangán. A dia- és paramágneses anyagok jelentősége a mágnestechnikában nem számottevő.

Ferromágnesség

A ferromágnesség is elemi mágneses dipólusok jelenlétén alapszik. A paramágnességhez hasonlóan itt is a spintől eredő mágneses momentum van túlsúlyban, vagyis minden atomnak van gyenge mágneses momentuma.

a; Ferromágneses anyagok külső mágneses tér nélkül

A ferromágnesség abban különbözik az előző két tulajdonságtól, hogy az említett nyomatékok nem rendszertelen irányításúak, hanem nagyszámú szomszédos atom momentuma egymással párhuzamos. Az ilyen egyformán mágnesezett elemi tartományokat Weiss-féle tartományoknak (doméneknek) nevezzük. Méretük 0,001 m3 és 0,1 m3 között változik. E tartományok momentumainak irányítottságát spontán mágnesezettségnek nevezzük. Ennek hatása azért nem érzékelhető, mert a Weiss-féle tartományok momentumai statisztikailag rendszertelen irányításúak, és így az egyes spontán mágnesezettségek semlegesítik egymást.

Két, különbözően mágnesezett tartomány határán az egyik irányból a másikba való átmenet nem ugrásszerű, hanem folytonos, és a szomszédos tartományokat elválasztó határrétegben (Bloch-féle fal) megy végbe.

A mágnesezettségi vektor csavarmozgást végezve fordul át egyik helyzetből a másikba. (4. ábra)

Magnes4 2.4.22.1. A mágnesesség alapjai

4. ábra. Bloch fal két, különbözően irányított mágneses momentum domén között. A mágnesezési vektor a doménhatáron belül csavarszerű mozgást végezve fordul el az egyik irányból az ellentétesbe

Külső mágneses tér hiányában a Weiss-féle tartományok mágnesezettségi vektorai mindig a legkönnyebb mágnesezhetőség irányába állnak be. Ezt az irányt az anyag minősége és a kristályrács szerkezete határozza meg. Tércentrált köbös szerkezetű vasegykristálynál például a kockaélek iránya a kitűntetett irány (5. ábra.).

Magnes5 2.4.22.1. A mágnesesség alapjai

5. ábra. A különböző szerkezetű vasegykristálynál a kitűntetett mágnesezési irányok a kocka három élének irányába mutatnak

Ebből következik, hogy a spontán mágnesezettség az egyes tartományokban 90 vagy 180°-kal változhat. (6. ábra.)

Magnes6 2.4.22.1. A mágnesesség alapjai

6. ábra. Egyik doménből a másikba való átmenetnél a mágnesezési irány 90 vagy 180°-kal fordul el

A Weiss-féle tartományokat jól láthatóvá tehetjük, ha ferromágneses test gondosan csiszolt felületét vaspor kolloid oldatával kenjük be. A Bloch-falak mentén – amint az a 4. ábrán jól látható – a kifelé irányuló mágneses térerősség hatására a vaspor összesűrűsödik.

b; Ferromágneses anyagok külső mágneses térben

Vizsgáljuk meg, mi történik, ha ferromágneses testet nulláról fokozatosan erősödő mágneses térbe helyezünk!

I. állapot

A külső mágneses tér irányával megegyező vagy azzal kis szöget bezáró irányítású tartományok a faleltolódások révén kiterjednek a szomszédos tartományokba. Ez a folyamat reverzibilis, vagyis a külső mágneses tér csökkenésekor a falak visszakerülnek eredeti helyzetükbe. (7. ábra.)

Magnes7 2.4.22.1. A mágnesesség alapjai

7. ábra. A B = f(H) mágnesezési görbe első szakasza (1) az, amelyben a doménfalak eltolódásának hatására a spontán mágnesezettségek statisztikus eloszlása megszűnik. Az így kialakuló állapot reverzibilis. A második (2) legmeredekebb görbeszakaszon domének mágneses dipólusai egy másik kitűntetett helyzetbe fordulnak át, így ez az állapot irreverzibilis. A harmadik szakaszban (3) minden domén mágneses momentuma a külső H mágneses tér irányába áll be, amíg ki nem alakul a teljes irányítottság, a telítettség állapota. Ez a folyamat ismét reverzibilis

A kezdeti görbeszakaszon (1) tehát kialakulhat gyenge mágnesezettség, mert a spontán mágnesezési irányok nyugalmi állapotra jellemző rendezetlensége megszűnik.

2. állapot

A külső térerősség adott küszöbértékénél a domének mágneses dipólusai olyan kitűntetett helyzetekbe fordulnak át, amelyek a külső mágneses tér irányával kis szöget alkotnak vagy párhuzamosak vele. Ez a folyamat már irreverzibilis, mert a mágneses dipólusok most ismét a kristályszerkezet által meghatározott – az előbbitől különböző – kitűntetett helyzetben van. Ezt az állapotot a B/H jelleggörbe meredek szakasza szemlélteti (7. ábra 2. görbeszakasza).

Az átfordulás egy új, kitűntetett helyzetbe nem folyamatosan, hanem ugrásszerűen megy végbe. Ezt úgy mutatjuk ki, hogy mágneses vasrudat indukciós tekerccsel veszünk körül, és az ugrásszerű átfordulások okozta feszültséglökéseket felerősítve hallhatóvá tesszük. A térerősség növekedésekor sistergést hallunk. Az említett ugrásokat Barkhausen-ugrásoknak nevezzük. Az átforduláskor bekövetkező indukciós feszültséglökések zajfeszültségként való akusztikai bemutatása a Barkhausen-hatás.

3. állapot

Ha a térerősség további növelésekor majdnem minden Weiss-féle tartomány befordul a külső tér irányába, "telítődésről" beszélünk. A kialakuló telítési mágnesezettség megegyezik az egyes tartományok adott hőmérséklethez tartozó spontán telítési mágnesezettségével (7. ábra 3. görbeszakasz).

A külső térerősség csökkentésekor a mágneses dipólusok ismét visszafordulnak eredeti helyzetükbe, tehát az átfordulásokból származó mágnesezettség reverzibilis.

Noha a térerősség nullára csökken, jelentős mágneses polarizáció (J) marad vissza (remanencia: Jr = Br). A mágneses momentumok csak ellentétes mágneses tér hatására állnak vissza eredeti kitüntetett helyzetükbe.

Ferrimágnesség, anti-ferromágnesség

A ferro- és ferrimágnesség közötti különbség a következőkkel magyarázható.

Ferromágnesség esetén a fématomok közvetlen kölcsönhatásban állnak egymással, míg a ferrimágneses anyagokban a nagyméretű oxigénionok (O2) foglalják el a térfogat jelentős részét, és megakadályozzák a fématomok érintkezését, szabad elektronok keletkezését a kristályrácsban. Az oxigénatomok arra törekszenek, hogy mágneses momentumaik ellentétesen, egymással párhuzamosan irányítottak legyenek. Mégis kialakul eredő momentum, mert – amint azt a 8. ábra mutatja – az ellenpárhuzamos momentumok különböző nagyságúak.

Magnes8 2.4.22.1. A mágnesesség alapjai

8. ábra. Az irányítottság szemléltetése ferrimágnesség esetén. Az eltérő nagyságú momentumok ellenpárhuzamos spin csatolása

A fématomok egyharmada tetraéder alakzatú, kétharmada pedig oktaéder alakzatú. A tetraéderes, oktaéderes atomok momentumai ellenpárhuzamos irányításúak, ezért az eredő mágneses polarizáció lényegesen kisebb, mint pl. vas esetében.

A ferrimágnesség egy speciális esete az anti-ferromágnesség, amikor az ellenpárhuzamos mágneses momentumok nagysága azonos, és így semlegesítik egymást.

Kemény- és lágymágneses anyagok

Lágymágneses anyagokról akkor beszélünk, ha a telítődés már kis térerősség hatására is létrejön. Ilyenkor a Weiss-féle tartományok mágneses dipólusai könnyen átbillenhetnek az egyik kitűntetett helyzetből a másikba. A spontán mágnesezettség iránya tehát nem kapcsolódik szorosan a krissztallográfiailag kitűntetett irányhoz.

Ellenkező esetben, amikor a spontán mágnesezettségi irány a kristály tengelyeihez kötött, és ezáltal az átbillenéshez nagy energia szükséges, keménymágneses anyagokról beszélünk. Ezeket használják állandómágnesek előállítására. Mindkét anyagcsoportban egyaránt felhasználnak ferro- és ferrimágneses anyagokat. Utóbbiaknak kis telítési polarizációjuk mellett számos előnyös tulajdonságuk is van.

A forgásszimmetrikus jelenség kimutatása

Azt a feltételezést, hogy a mágneses tulajdonságokat atomi köráramok okozzák, két kísérlet támasztja alá.

Barnett-hatás (1914)

Erős forgásban levő, mágnesesen semleges test minden egyes dipólusa járulékos forgástengely körüli impulzushoz jut, körárama növekszik. Így további elemi mágneses momentumok keletkeznek, amelyek a forgás következtében azonos irányúak (a forgástengellyel párhuzamosak), és ezáltal külső mágneses teret eredményeznek.

Ez a mágnesezettség azonban nagyon gyenge, még ferromágneses anyagoknál is csak igen nagy fordulatszámokon mutatható ki. Ennél a kísérletnél a kialakuló mágneses tér irányából megállapították, hogy az atomi köráramok mozgó negatív töltések.

Einstein- és de Hass-féle hatás (1915)

A Barnett-kísérlet megfordításában tekerccsel körülvett vashengert mágnesezünk a tekercsen átfolyó árammal. Ekkor a vas mágneses dipólusai többnyire a külső mágneses tér irányába állnak be, ami csak úgy lehetséges, ha az atomi dipólusok impulzismomentumai a külső tér irányába mutatnak. Az impulzusmomentumok vektorösszege ekkor már nem nulla, és mérhető forgás figyelhető meg.

A telítési mágneses polarizáció függése a hőmérséklettől, a Curie-pont

Említettük, hogy a ferromágneses anyagok doménjeiben nagyszámú szomszédos atom momentumai egymással párhuzamosak. Ezt még azzal kell kiegészítenünk, hogy mindez a hőmozgás dezorientáló hatásával szemben megy végbe. Ezért a hőmérséklet növelésével a spontán mágneseződést egyre inkább akadályozza a hőmozgás.

Adott hőmérséklet, azaz a Curie-pont elérésekor ismét visszaáll a sajátmomentumok statisztikai rendezetlensége, vagyis a Curie-pont felett a ferromágneses anyagok paramágnesessé válnak.

Ha a hőmérsékletet abszolút nulla fokra csökkentenénk, minden momentum a külső mágneses tér irányába mutatna és kialakulna a maximális telítési mágneses polarizáció.

Ezt az ismertetőt Karl Reichel Gyakorlati Mágnestechnika c. könyvéből (Műszaki Könyvkiadó, 1985) gépeltem be ide.

A következő oldalon a Mágneses Teljesítmény Modul szabadalmával ismerkedhetsz meg.

Hozzászólok!

A weblap további használatával Ön beleegyezik a sütik használatába. További információ

A süti beállítások ennél a honlapnál engedélyezett a legjobb felhasználói élmény érdekében. Amennyiben a beállítás változtatása nélkül kerül sor a honlap használatára, vagy az "Elfogadás" gombra történik kattintás, azzal a felhasználó elfogadja a sütik használatát.

Bezárás