0680 Właściwości ferromagnetyków.
Wprowadzenie Przeczytaj
Grafika interaktywna Sprawdź się
Dla nauczyciela
Czy to nie ciekawe?
Rys. 1. Tajemnicze zachowanie stalowych przedmiotów
Magnes przyciąga drobne stalowe przedmioty. To znany efekt (Rys. 1a.). Można to krótko wytłumaczyć, że pod wpływem pola magnesu stalowe przedmioty same stają się magnesami i przyciągają się
z magnesem. (Widocznie od strony magnesu wytwarza się w nich przeciwny biegun magnetyczny.) Ale dlaczego, jeśli usuniemy magnes (zabraliśmy przyczynę namagnesowania), nadal przyciągają się
wzajemnie (Rys. 1b.)? Wygląda na to, że stalowe przedmioty utrzymują swój stan namagnetyzowania. Jak to wytłumaczyć, dowiesz się studiując ten e‑materiał.
Twoje cele
W tym e‑materiale:
zrozumiesz, na czym polega zjawisko ferromagnetyzmu, dowiesz się, jakie substancje należą do grupy ferromagnetyków,
przekonasz się, że względna przenikalność magnetyczna ferromagnetyka nie jest stała, zrozumiesz, skąd bierze się pozostałość magnetyczna w ferromagnetyku,
zobaczysz, że stan namagnesowania ferromagnetyka zależy od historii magnesowania, zastosujesz zdobytą wiedzę do rozwiązywania zadań problemowych i rachunkowych.
0680 Właściwości ferromagnetyków.
Przeczytaj
Warto przeczytać
Różne substancje w różnym stopniu wpływają na pole magnetyczne, w którym się znajdują. Miarą wpływu substancji na pole magnetyczne, w którym ta substancja jest „zanurzona” jest względny współczynnik przenikalności magnetycznej. Jest on zdefiniowany jako stosunek wartości indukcji magnetycznej w obecności danej substancji B do wartości indukcji magnetycznej bez tej substancji (w próżni) B0, co można zapisać:
μr=
B B0
.
Ze względu na wartość tego współczynnika substancje zostały podzielone na trzy główne grupy:
diamagnetyki – w bardzo małym stopniu zmniejszają pole magnetyczne; μr< 1 (np. dla wody μr= 0,999991),
paramagnetyki – w bardzo małym stopniu zwiększają pole magnetyczne; μr> 1 (np. dla cyny μr= 1,000002),
ferromagnetyki – w bardzo wielkim stopniu zwiększają pole magnetyczne; μr≫ 1 (np. dla żelaza elektrolitycznego μr= 15000).
Jak widać z tego podziału - diamagnetyki i paramagnetyki prawie nie wpływają na zewnętrzne pole magnetyczne B0, w odróżnieniu od ferromagnetyków, które zwiększają pole magnetyczne B0 w spektakularny sposób.
Fot. 1. Magnetyt [Źródło: Luis Miguel Bugallo Sánchez (Lmbuga Commons)(Lmbuga Galipedia)Publicada por/Publish by: Luis Miguel Bugallo Sánchez [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons]
Ferromagnetykami są: żelazo, kobalt, nikiel, gadolin, magnetyt (tlenek żelaza Fe O ), hematyt
(najważniejsza ruda żelaza Fe O , α-Fe O ), stal węglowa, żeliwo, ferromagnetyczne spieki proszkowe (neodym + żelazo + bor: Nd Fe B, ferryty), ferromagnetyczne stopy np. alnico, supermajol.
3 4
2 3 2 3
2 14
Fot. 2. Kryształy magnetytu i pirytu [Źródło: Archaeodontosaurus [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons]
Tak więc materiały ferromagnetyczne występują w przyrodzie w postaci minerałów (Fot. 1. i 2.), ale też opracowuje się „do zadań specjalnych” sztucznie stopy i spieki z udziałem głównie żelaza.
Oczywiście powyższe zestawienie nie obejmuje wszystkich ferromagnetyków; tym bardziej, że cały czas projektowane i wytwarzane są nowe materiały, np. półprzewodniki ferromagnetyczne.
Ferromagnetykami są kryształy (nie ciecze i nie pary), w których przy odpowiednio niskiej temperaturze powstają samoistnie domeny magnetyczne – obszary, w obrębie których wszystkie atomowe momenty magnetyczne (O momencie magnetycznym możesz przeczytać w e‑materiale „Ferromagnetyki”) są tak samo zorientowane (w 100%!). Sprawiają to międzyatomowe siły natury kwantowej, które mogą działać, gdy kryształ ma temperaturę niższą niż tzw. punkt Curie (dla żelaza to 770°C). Domeny magnetyczne są bardzo małe – mają rozmiary rzędu 10 do 100 m, czyli od 0,01 do 0,1 mm. Istnieją metody ich
obrazowania, można zatem obejrzeć je w powiększeniu na zdjęciach.
Rys. 1. Fotografia pokazuje obszar o szerokości ok. 0,1 mm. Obszar obrysowany czarną linią to ziarno krystaliczne ferromagnetyka z widocznymi paskowymi domenami. Strzałki pokazujące kierunki momentów magnetycznych zostały oczywiście dorysowane. [Źródło: Zureks, Chris Vardon [CC BY-SA 3.0], via Wikimedia Commons]
Rys. 2. Momenty magnetyczne tworzą w krysztale, niepoddanym zewnętrznemu polu magnetycznemu zamknięte obiegi. [Źródło:
h p://inspirehep.net/record/1502147/files/Sensi vityKerrImagesExamples.png]
Wypadkowy moment magnetyczny takiego kryształu lub polikryształu jest równy zeru (o ile kryształ nie znajduje się i przedtem nie znajdował się w zewnętrznym polu magnetycznym).
Na Rys. 3a. naszkicowany jest obraz z mikroskopu przedstawiający próbkę ferromagnetyka
w nieobecności pola zewnętrznego. Nierówne granice to obszary ziaren polikryształu, wewnątrz których widoczne są domeny.
Rys. 3. a, b
Co się stanie, gdy taki układ domen umieścimy w polu magnetycznym? Jeśli zostanie włączone słabe pole zewnętrzne o indukcji B01, to domeny o uprzywilejowanych kierunkach własnych momentów
magnetycznych rozrosną się, przesuwając swoje granice kosztem domen o niekorzystnych kierunkach (Rys. 3b.). W odpowiednio silnym polu proces rozrostu uprzywilejowanych domen zostaje zakończony.
Każde ziarno polikryształu będzie miało tylko jedną domenę o kierunku momentu magnetycznego zbliżonym do wektora indukcji B0. Wygląda to jak na Rys. 3c.
Rys. 3. c, d
W jeszcze silniejszym polu momenty magnetyczne ziaren obrócą się, ustawiając w kierunku zgodnym z zewnętrznym polem (Rys. 3d.).
Mamy teraz do czynienia ze stanem nasycenia magnetycznego, w którym próbka jest całkowicie namagnesowana – wszystkie atomowe momenty magnetyczne są ustawione w kierunku zgodnym z wektorem indukcji B0. Taka próbka daje też maksymalną wartość indukcji pola magnetycznego
wytworzonego przez substancję. I okazuje się, że jest ona wielokrotnie większa niż wartość indukcji pola magnesującego B0.
Dla stali miękkiej stan nasycenia osiągany jest już przy wartości B0 = 0,6 mT, a indukcja magnetyczna wewnątrz próbki wynosi wtedy B= 1625 mT, co daje indukcję Bs wytworzoną w substancji o wartości 1624,4 mT (Bs= B - B0). To ponad 2700 razy więcej niż B0!
Ale to nie wszystko. Ferromagnetyk ma pamięć! „Pamięta”, że był w polu magnetycznym i kiedy nawet wyciągniemy go z pola magnesującego B0, to nadal pozostanie namagnesowany. Wszystko dlatego, że proces przesuwania się ścian domen w dużej skali i obracania momentów magnetycznych w domenach jest procesem nieodwracalnym. Można wprawdzie przywrócić stan wyjściowy domen, ale proste
zmniejszanie wartości pola B0 do zera nie sprosta zadaniu. Trzeba nad układem wykonać pracę, włożyć pewną dodatkową energię.
Spójrz na wykres na Rys. 4. Przedstawia on krzywą namagnesowania dla typowego miękkiego żelaza.
Rys. 4. Wykres zależności indukcji magnetycznej w stali miękkiej umieszczonej w polu magnetycznym o indukcji B0
Początkowo, gdy pole magnetyczne zewnętrzne jest wyłączone (B0 = 0) stal nie jest namagnesowana.
Znajdujemy się na wykresie w punkcie 0,0. Stopniowe zwiększanie wartości indukcji B0 powoduje, że indukcja B rośnie – poruszamy się po krzywej magnesowania pierwotnego „a”, aż do stanu nasycenia. Jeśli po osiągnięciu nasycenia będziemy zmniejszać stopniowo zewnętrzne pole do zera, to wcale nie
będziemy „wracali” po krzywej „a”, ale po krzywej „b”. Wobec tego, nawet gdy indukcja B0 osiągnie wartość zero, w stali pozostanie pole magnetyczne – zostanie ona trwale namagnesowana.
(Ferromagnetyk „zapamiętał”, że był przedtem w polu magnetycznym.) To tłumaczy tajemnicze
zachowanie stalowych spinaczy opisane w części wstępnej. Wartość indukcji magnetycznej w substancji przy wyłączonym polu magnetycznym nazywa się trafnie pozostałością magnetyczną. W przypadku, którego dotyczy wykres (dla typowej stali miękkiej) wynosi ona 0,9 T.
Jeśli chcemy „zniszczyć” stan namagnesowania, powinniśmy, co widać na wykresie, włączyć zewnętrzne pole magnetyczne o przeciwnym zwrocie. (Na wykresie będzie to oznaczało ujemną wartość B0.) Dla pewnej wartości tego przeciwnego pola usuniemy namagnesowanie próbki. Tę szczególną wartość przeciwnego pola B0 nazywamy koercją (polem koercji). Możemy odczytać z wykresu, że w przypadku stali miękkiej koercja wynosi około 0,075 mT.
Dalszy wzrost indukcji magnetycznej w ujemnym kierunku będzie powodował znowu magnesowanie próbki aż do stanu nasycenia - oczywiście w tym samym kierunku co pole zewnętrzne. I znowu zmniejszanie pola zewnętrznego będzie powodowało zmniejszanie namagnesowania próbki, ale
będziemy poruszać się nie po krzywej „b”, tylko wzdłuż krzywej „c”. Zakreśliliśmy w ten sposób pętlę i nie wrócimy na krzywą magnesowania pierwotnego „a”.
Ta krzywa zamknięta jest charakterystyczna i różna dla każdego materiału ferromagnetycznego.
Nazywana jest histerezą magnetyczną.
Jak widać z wykresu, wartość indukcji magnetycznej pola wewnątrz ferromagnetyka B zależy nie tylko od wartości, jaką ma w danej chwili pole zewnętrzne B0, ale też od wartości indukcji B0 we wszystkich chwilach poprzednich.
Słowniczek
dipol magnetyczny
(ang.: magnetic dipole) - układ wytwarzający pole magnetyczne, które cechuje magnetyczny moment dipolowy, na przykład magnes trwały, solenoid lub pojedyncza pętla z prądem. Wszystkie skończone źródła pola magnetycznego są dipolami. Innymi słowy: w przeciwieństwie do pola elektrostatycznego - pole magnetyczne nie może pochodzić od „pojedynczych ładunków”. Nazwa wzięta jest z greki,
przedrostek di- odnosi się do „dwa”, polos to biegun.
moment magnetyczny
(ang.: magnetic moment) - wielkość fizyczna cechująca dipol magnetyczny, która określa oddziaływanie dipola z zewnętrznym polem magnetycznym. Moment magnetyczny dipolowy μ definiuje się przez moment siły działający na niego w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B:
M =→ →μ ×B.→
moment magnetyczny pętli z prądem
(ang.: magnetic moment of a current loop), →μ = I ⋅S→
Przykład obiektu obdarzonego momentem magnetycznym, który jest jednocześnie sam źródłem pola magnetycznego. Definicja S - analogiczna jak w przypadku definicji strumienia indukcji magnetycznej→ przez powierzchnię.
Histereza
(ang.: hysteresis) - w naukach przyrodniczych: zjawisko zależności aktualnego stanu układu od stanów w poprzedzających chwilach. Inaczej – opóźnienie w reakcji na czynnik zewnętrzny. Od gr. husteros - opóźnienie.
Grafika interaktywna
Właściwości ferromagnetyków
Skąd się bierze w ferromagnetykach pamiętanie poprzedniego stanu i opóźnianie reakcji substancji ferromagnetycznej na zmianę pola magnesującego B ? Domyślasz się zapewne, tym bardziej, że były wypowiedziane już pewne sugestie, że wszystko zależy od zachowania się momentów magnetycznych wewnątrz domen. Zostało to przedstawione w formie grafiki interaktywnej.
Polecenie 1
Klikając w kolejne czerwone punkty na wykresie histerezy magnetycznej możesz podejrzeć symboliczny wektor indukcji magnetycznej zewnętrznego pola B , który będzie zmieniał swoją długość i kierunek.
Początkowy wygląd domen w krysztale z zaznaczonymi wektorami momentów magnetycznych zobaczysz po kliknięciu w pierwszy punkt wykresu o współrzędnych (0,0). Spróbuj samodzielnie narysować na kartce wygląd domen w kolejnych punktach.
1. 1 B =0 2. 2 B 3. 3 B 4. 4 B 5. 5 B 6. 6 B =0 7. 7 B 8. 8 B 9. 9 B =0
10. 10 Jaki opis odpowiada temu punktowi?
Polecenie 2
Poniżej ta sama krzywa histerezy, ale pod kolejnymi punktami ukryte są rysunki domen. Sprawdź swoje przewidywania - porównaj wykonane rysunki z wyglądem domen ukrytych w kolejnych punktach wykresu.
1. 1 Sumaryczny moment magnetyczny domen równy jest zeru – taki kryształ nie wytwarza pola magnetycznego.
B =0
2. 2 Granice domen nieco przesunęły się. Powiększyła się ta domena, której moment magnetyczny jest ustawiony w podobnym kierunku co wektor indukcji pola zewnętrznego B .
3. 3 Granice domen znacznie przesunęły się. Rozrosła się ta domena, której moment magnetyczny jest ustawiony w podobnym kierunku co wektor indukcji pola zewnętrznego B . Ten proces (jak dotąd) jest odwracalny. Zmniejszając indukcję B można przejść przez punkt „2” do początku układu współrzędnych.
4. 4 Domena, której moment magnetyczny jest ustawiony w podobnym kierunku co wektor indukcji pola zewnętrznego B rozrosła się do maksymalnych rozmiarów. Ten proces już nie jest odwracalny. Defekty
0
0
0 0 0 0 0 0 0
0 0
0
0
0 0
0
12 3 4 5
6 7
8 9 10
12 3 4 5
6 7
8 9 10
sieci krystalicznej utrudniają powrót ścianek domenowych do pozycji pierwotnej.
5. 5 Wszystkie atomowe momenty magnetyczne w krysztale ustawione są w tym samym kierunku co pole magnetyczne B . Następuje wobec tego maksymalne wzmocnienie tego pola. Mamy do czynienia ze stanem nasyconym. Zwiększenie wartości B nie spowoduje większego namagnesowania.
6. 6 Domeny „chcą” ustawić się jak w stanie początkowym (punkt 0,0), ale zostały w pewnym sensie zaklinowane przez defekty sieci krystalicznej. Mamy w tej sytuacji niezerowy, dość znaczny moment magnetyczny i związane z nim pole magnetyczne wewnątrz substancji tzw. pozostałość magnetyczną.
7. 7 Domeny wróciły do swojego pierwotnego stanu. Wypadkowy moment magnetyczny jest równy zeru, wytwarzane pole magnetyczne również. Aby uzyskać taki stan konieczne było zastosowanie przeciwnego pola B .
8. 8 Próbka została całkowicie przemagnesowana.
9. 9 Sytuacja analogiczna do punktu „6”. Mamy do czynienia z pozostałością magnetyczną, ale moment wypadkowy dla kryształu i pole magnetyczne przez niego wytworzone mają kierunek przeciwny niż w „6”.
10. 10 Czy takie było Twoje rozwiązanie?
B
0
0
0
0
Sprawdź się
Ćwiczenie 1
Wybierz poprawne uzupełnienia zdania.
Domeny magnetyczne powstają w materiale ferromagnetycznym, gdy jest w postaci krystalicznej /
amorficznej / ciekłej / gazowej pod warunkiem, że jego temperatura jest mniejsza / większa niż temperatura Curie.
Ćwiczenie 2
Co zrobić, aby rozmagnesować uprzednio namagnesowany kawałek stali?
Uzupełnij
Ćwiczenie 3
Jaką nazwę ma wartość indukcji pola magnetycznego, które będzie istniało w ferromagnetyku, gdy po jego maksymalnym namagnesowaniu zmniejszymy pole zewnętrzne B0 do zera?
Odp.: ...
Ćwiczenie 4
Czy w przypadku ferromagnetycznego rdzenia zwojnicy pole magnetyczne w rdzeniu jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu płynącego w zwojnicy?
Odp.: {tak} / {#nie}
Ćwiczenie 5
Możesz łatwo namagnesować np. stalowy gwóźdź trzymając go w pozycji pionowej i uderzając młotkiem (niekoniecznie metalowym). Wyjaśnij ten fenomen. Weź pod uwagę fakt, że składowa pionowa ziemskiego pola magnetycznego jest większa niż pozioma.
Uzupełnij
Ćwiczenie 6
Jaką nazwę ma wartość indukcji pola zewnętrznego B0, usuwającego całkowicie namagnesowanie w ferromagnetycznej próbce?
Odp.: ...
To „kasujące” pole magnetyczne powinno być skierowane {zgodnie} / {#przeciwnie} do pola magnetycznego istniejącego w próbce.
Ćwiczenie 7
W pewnym prostym eksperymencie (możesz zobaczyć jego przebieg na YouTube:
h ps://www.youtube.com/watch?v=haVX24hOwQI) umieszczono w statywie silny magnes i położono pod nim w niewielkiej odległości stalowa śrubę rozgrzaną do koloru pomarańczowego (ok. 1100°C) w płomieniu gazowym. Po krótkim czasie śruba przestała żarzyć się, po czym „podskoczyła i przykleiła się” do magnesu.
Wyjaśnij zachowanie śruby.
Uzupełnij
Ćwiczenie 8
Na rysunku pokazany jest schematycznie przekrój przez przyrząd (pierścień Rowlanda), służący do pomiaru indukcji magnetycznej w rdzeniu umieszczonym w polu magnetycznym B0. Czarne kropki oznaczają przecięcie przez toroidalne uzwojenie pierwotne P, w którym płynie prąd Ip, będący źródłem pola magnetycznego B0, które następnie jest wzmacniane przez rdzeń, dając ostatecznie pole o indukcji B.
Wartość B łatwo zmierzymy wykorzystując zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Zamykamy klucz K.
Pojawia się pole magnetyczne o indukcji B. We wtórnym uzwojeniu W zostanie wyindukowana SEM indukcji, której wartość odczytamy na woltomierzu. Czas narastania prądu do wartości Ip można wyznaczyć (zjawisko samoindukcji!).
Oblicz wartość B wytworzonej w rdzeniu indukcji, jeśli przekrój rdzenia S = 5 cm2, liczba zwojów
w uzwojeniu wtórnym wynosi n = 100, czas włączania prądu w toroidzie Δt = 0, 1 s, a wartość wytworzonej SEM indukcji (wskazanie woltomierza) wynosi 2 V.
Odp.: ... T
Dla nauczyciela
Imię i nazwisko autora: Nina Tomaszewska
Przedmiot: Fizyka
Temat zajęć: Właściwości ferromagnetyków
Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony
Podstawa programowa:
Cele kształcenia - wymagania ogólne
I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości.
II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych.
Zakres rozszerzony
Treści nauczania - wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:
19) wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu;
IX. Magnetyzm. Uczeń:
7) opisuje jakościowo podstawowe właściwości oraz zastosowania ferromagnetyków.
Kształtowane
kompetencje kluczowe:
Zalecenia Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:
kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii,
kompetencje cyfrowe,
kompetencje osobiste, społeczne i w zakresie umiejętności uczenia się.
Cele operacyjne:
Uczeń:
1. wyjaśnia, na czym polega fenomen ferromagnetyzmu.
2. wymienia niektóre substancje należące do grupy ferromagnetyków.
3. opisuje, dlaczego względna przenikalność magnetyczna ferromagnetyka nie jest stała.
4. wyjaśnia, skąd bierze się pozostałość magnetyczna w ferromagnetyku.
5. wie, że stan namagnesowania ferromagnetyka zależy od historii magnesowania.
Strategie nauczania: blended learning
Metody nauczania: wykład informacyjny wspomagany pokazem multimedialnym Formy zajęć: praca w zespole klasowym
Środki dydaktyczne: komputer z rzutnikiem lub tablety do dyspozycji każdego ucznia Materiały pomocnicze: e‑materiał „Ferromagnetyki”.
PRZEBIEG LEKCJI Faza wprowadzająca:
Uczniowie na prośbę nauczyciela przypominają, jak zachowują się ferromagnetyki w polu wytworzonym przez magnes. Podają przykłady na to, że po wyjęciu ferromagnetyków z pola magnetycznego okazuje się, że ferromagnetyki same stały się magnesami. Nauczyciel wspólnie z uczniami tworzy na tablicy listę ferromagnetyków.
Faza realizacyjna:
Nauczyciel mówi o domenach magnetycznych i omawia ich zachowanie w rosnącym zewnętrznym polu magnetycznym. Następnie przedstawia krzywą magnesowania stali miękkiej koncentrując się na takich pojęciach jak stan nasycenia, pozostałość magnetyczna, pole koercji. Uczeń samodzielnie zapoznaje się z grafiką interaktywną, gdzie jeszcze raz omówiona jest pętla histerezy magnetycznej ale w kontekście zmian zachodzących w komórce krystalicznej w miarę zmieniania pola
zewnętrznego o indukcji B . Ostatnie 3 zielone punkty dobrze byłoby potraktować jako zabawę i omówić wspólnie.
Faza podsumowująca:
W fazie podsumowującej nauczyciel wraz z uczniami rozwiązuje zadania: 2., 7. i 8. z zestawu ćwiczeń.
Szczególnie cenne jest tu zadanie 8., które dotyczy metody pomiarowej wartości indukcji w rdzeniu.
Praca domowa:
Zadania: 1., 3., 4., 5. 6. z zestawu ćwiczeń.
Wskazówki metodyczne opisujące różne
zastosowania danego multimedium:
Histereza magnetyczna powinna być podstawą w nauczaniu zastosowań ferromagnetyzmu. Wobec tego można przed lekcja dotyczącą
zastosowań poprosić uczniów o pracę z grafiką interaktywną z tego e‑materiału.
0
Przetwarzam wzory matematyczne: 100%
