Feromagnetisme: bahan feromagnetik, aplikasi, dan contoh

Feromagnetisme adalah sifat yang memberikan respons substansial dan permanen pada beberapa zat. Di alam ada lima elemen dengan sifat ini: besi, kobalt, nikel, gadolinium dan disprosium, ini tanah jarang yang terakhir.

Di hadapan medan magnet luar, seperti yang dihasilkan oleh magnet alami atau elektromagnet, suatu zat merespons dengan cara yang khas, sesuai dengan konfigurasi internalnya. Besarnya yang mengukur respon ini adalah permeabilitas magnetik.

Permeabilitas magnetik adalah kuantitas tak berdimensi yang diberikan oleh hasil bagi antara intensitas medan magnet yang dihasilkan di dalam material dan medan magnet yang diterapkan secara eksternal.

Ketika respons ini jauh lebih besar dari 1, materi tersebut dikategorikan sebagai feromagnetik. Namun, jika permeabilitas tidak jauh lebih besar dari 1, respons magnetik dianggap lebih lemah, bahan paramagnetik.

Pada besi, permeabilitas magnetik berada pada urutan 104. Ini berarti bahwa medan di dalam besi sekitar 10.000 kali lebih besar dari medan yang diterapkan secara eksternal. Yang memberi gambaran betapa kuatnya respons magnetik mineral ini.

Bagaimana respons magnetik berasal dari zat di dalam?

Diketahui bahwa magnet adalah efek yang terkait dengan pergerakan muatan listrik. Itulah tepatnya arus listrik. Di mana kemudian datang sifat magnetik dari magnet batang dengan mana catatan telah terjebak di lemari es?

Bahan magnet, dan juga zat lainnya mengandung proton dalam dan elektron, yang memiliki gerakan sendiri dan menghasilkan arus listrik dengan berbagai cara.

Model yang sangat sederhana mengasumsikan elektron dalam orbit melingkar di sekitar nukleus yang dibentuk oleh proton dan neutron, sehingga membentuk loop arus kecil. Setiap spiral dikaitkan dengan besaran vektor yang disebut "momen magnetik orbital", yang intensitasnya diberikan oleh produk arus dan area yang ditentukan oleh loop: magneton Bohr.

Tentu saja, dalam loop kecil ini, arus bergantung pada muatan elektron. Karena semua zat mengandung elektron di interiornya, mereka semua pada prinsipnya memiliki kemungkinan untuk mengekspresikan sifat magnetik. Namun, tidak semuanya melakukannya.

Ini karena momen magnetiknya tidak selaras, tetapi diatur dalam interior secara acak, sedemikian rupa sehingga efek magnetiknya pada tingkat makroskopik dibatalkan.

Kisahnya tidak berakhir di sini. Momen magnetik yang dihasilkan oleh pergerakan elektron di sekitar nukleus bukan satu-satunya sumber magnet pada skala ini.

Elektron memiliki semacam gerakan rotasi di sekitar sumbunya. Ini adalah efek yang menghasilkan momentum sudut intrinsik. Properti ini disebut putaran elektron.

Secara alami ia juga memiliki momen magnet yang terkait dan jauh lebih kuat daripada momen orbital. Pada kenyataannya, kontribusi terbesar terhadap momen magnetik bersih atom adalah melalui putaran, namun kedua momen magnetik: terjemahan dan momentum sudut intrinsik, berkontribusi terhadap momen magnetik total atom.

Momen magnetik ini adalah momen yang cenderung sejajar dengan adanya medan magnet luar. Dan mereka juga melakukannya dengan bidang yang dibuat oleh momen tetangga dalam materi.

Sekarang, elektron biasanya membentuk pasangan dalam atom dengan banyak elektron. Pasangan terbentuk antara elektron dengan putaran berlawanan, menghasilkan momen magnetik putaran dibatalkan.

Satu-satunya cara putaran berkontribusi terhadap momen magnet total adalah bahwa sebagian tetap tidak berpasangan, yaitu atom memiliki jumlah elektron ganjil.

Orang bertanya-tanya apa yang ada tentang momen magnet proton dalam nukleus. Yah, mereka juga memiliki momen putaran, tetapi tidak dianggap berkontribusi signifikan terhadap magnetisme atom. Itu karena momen putaran tergantung terbalik pada massa dan massa proton jauh lebih besar daripada elektron.

Domain magnetik

Dalam besi, kobalt dan nikel, tiga serangkai elemen dengan respons magnetik yang besar, momen putaran yang dihasilkan oleh elektron tidak nol. Dalam logam ini, elektron dalam orbital 3d, terluar, adalah yang berkontribusi terhadap momen magnetik bersih. Itu sebabnya bahan tersebut dianggap feromagnetik.

Namun, momen magnet individual dari masing-masing atom ini tidak cukup untuk menjelaskan perilaku bahan feromagnetik.

Di dalam bahan yang sangat magnetis ada daerah yang disebut domain magnetik, yang ekstensi dapat berkisar antara 10-4 dan 10-1 cm dan yang mengandung miliaran atom. Di wilayah ini, momen putaran dari atom tetangga mencapai kopling yang kuat.

Ketika suatu bahan yang memiliki domain magnetik mendekati magnet, domain tersebut bersejajaran satu sama lain, mengintensifkan efek magnetik.

Itu karena domain, seperti magnet batang, memiliki kutub magnet, sama-sama dilambangkan sebagai Utara dan Selatan, sehingga kutub yang sama menolak dan yang berlawanan tertarik.

Saat domain sejajar dengan bidang eksternal, materi memancarkan crunch yang dapat didengar melalui amplifikasi yang sesuai.

Efek ini dapat dilihat ketika magnet menarik paku-paku besi manis dan ini pada gilirannya berperilaku seperti magnet yang menarik paku lain.

Domain magnetik bukanlah batas statis yang ditetapkan dalam materi. Ukurannya dapat dimodifikasi dengan mendinginkan atau memanaskan material, dan juga menjadikannya sebagai aksi medan magnet eksternal.

Namun, pertumbuhan domain tidak terbatas. Pada saat di mana tidak mungkin lagi menyelaraskan mereka, dikatakan bahwa titik kejenuhan bahan telah tercapai. Efek ini tercermin dalam kurva histeresis yang muncul kemudian.

Pemanasan material menyebabkan hilangnya penyelarasan momen magnetik. Suhu di mana magnetisasi benar-benar hilang berbeda sesuai dengan jenis bahan, untuk magnet batang biasanya hilang pada sekitar 770 ° C.

Setelah magnet dilepas, magnetisasi kuku akan hilang karena agitasi termal yang ada setiap saat. Tetapi ada senyawa lain yang memiliki magnetisasi permanen, karena mereka secara spontan menyelaraskan domain.

Domain magnetik dapat diamati ketika area datar dari bahan feromagnetik yang tidak termagnetisasi, seperti besi manis, dipotong dan dipoles dengan sangat baik. Setelah ini selesai ditaburi dengan debu besi halus atau pengajuan.

Di bawah mikroskop diamati bahwa chip dikelompokkan pada daerah pembentuk mineral dengan orientasi yang sangat jelas, mengikuti domain magnetik material.

Perbedaan perilaku antara bahan magnetik yang berbeda adalah karena cara di mana domain berperilaku di interior mereka.

Histeresis magnetik

Histeresis magnetik adalah karakteristik yang hanya dimiliki oleh bahan dengan permeabilitas magnetik tinggi. Itu tidak disajikan oleh bahan paramagnetik atau diamagnetik.

Ini mewakili efek medan magnet luar yang diterapkan, yang dilambangkan sebagai H pada induksi magnetik B dari logam feromagnetik selama magnetisasi dan siklus desimanation. Grafik yang ditampilkan memiliki nama kurva histeresis.

Awalnya pada titik O tidak ada medan yang diterapkan H maupun respons magnet B, tetapi karena intensitas H meningkat, induksi B meningkat secara progresif hingga mencapai besarnya saturasi B pada titik A, yang diharapkan.

Sekarang intensitas H berkurang secara progresif hingga menjadi 0, dengan itu kita sampai ke titik C, namun respons magnetik material tidak hilang, mempertahankan magnetisasi remanen yang ditunjukkan oleh nilai B _r . Ini berarti bahwa prosesnya tidak dapat dibalik.

Dari sana intensitas H meningkat tetapi dengan polaritas terbalik (tanda negatif), sehingga magnetisasi yang tersisa dibatalkan pada titik D. Nilai H yang diperlukan dilambangkan sebagai Hc dan disebut medan koersif .

Magnitudo H meningkat hingga mencapai kembali nilai saturasi dalam E dan segera intensitas H menurun hingga mencapai 0, tetapi masih ada magnetisasi yang tersisa dengan polaritas yang berlawanan dengan yang dijelaskan di atas, pada titik F.

Sekarang polaritas H terbalik lagi dan besarnya meningkat sampai respons magnetik material pada titik G. dibatalkan. Setelah jalur GA, saturasinya kembali diperoleh. Tapi yang menarik adalah Anda tidak sampai di sana oleh jalur asli yang ditunjukkan oleh panah merah.

Bahan magnetis keras dan lunak: aplikasi

Besi manis lebih mudah dimagnetisasi daripada baja dan dengan mengetuk material, perataan domain menjadi lebih mudah.

Ketika suatu material mudah magnetis dan mengalami demagnetisasi maka dikatakan magnetis lunak, dan tentu saja jika terjadi sebaliknya adalah material magnetis keras . Dalam yang terakhir domain magnetik kecil, sedangkan di bekas mereka besar, sehingga mereka dapat dilihat melalui mikroskop, seperti yang dijelaskan di atas.

Area yang dilingkupi oleh kurva histeresis adalah ukuran energi yang dibutuhkan untuk menarik - mendemagnetisasi material. Gambar tersebut menunjukkan dua kurva histeresis untuk dua bahan yang berbeda. Yang di sebelah kiri itu magnetis lunak, sedangkan yang di sebelah kanan itu keras.

Bahan feromagnetik yang lunak memiliki medan koersif kecil H _c dan kurva histeresis yang sempit dan tinggi. Ini adalah bahan yang tepat untuk menempatkannya di inti trafo listrik. Contohnya adalah besi manis dan besi silikon dan besi paduan nikel, berguna untuk peralatan komunikasi.

Di sisi lain, material yang keras secara magnetis sulit untuk didemagnetisasi setelah termagnetisasi, seperti alloy (aluminium-nikel-kobalt) dan alloy rare earth yang dibuat dengan magnet permanen.