Најважније из лекције
- Феромагнетици садрже домене (микрообласти исто усмерених магнетних момената) чије обједињавање у спољашњем пољу доводи до драстичног појачања поља (\( \mu_r \gg 1 \)).
- Релативна магнетна пермеабилност: \( \mu_r = \frac{B}{B_0} \). Дијамагнетици (\( \mu_r < 1 \)), парамагнетици (\( \mu_r > 1 \)), феромагнетици (\( \mu_r \gg 1 \)).
- Киријева температура: Гранична температура изнад које феромагнетик губи домене и постаје парамагнетик.
- Хистерезис: Карактерише га засићење, заостала (реманентна) индукција \( B_r \) и коерцитивна сила. Тврди феромагнетици се користе за сталне магнете (велика \( B_r \) и коерцитивност), а меки феромагнетици за језгра електромагнета и трансформатора (мала коерцитивност, лако премагнетисавање).
Магнетни домени су мале микроскопске области феромагнета (обухватају око \( 10^{15} \) атома) унутар којих су магнетни моменти електрона спонтано исто оријентисани.
Када нема спољашњег магнетног поља, магнетни моменти домена су хаотично оријентисани у свим правцима, па материјал споља не испољава магнетизам.
Под утицајем спољашњег магнетног поља долази до усмеравања и обједињавања домена у правцу и смеру тог поља, чиме се укупна магнетна индукција вишеструко повећава.
Киријева температура (\( T_c \)) је критична температура на којој се услед топлотног кретања нарушава доменска структура феромагнетика, при чему он губи феромагнетна својства и прелази у парамагнетик (нпр. за никл износи \( 358\ ^\circ\text{C} \), а за гвожђе \( 770\ ^\circ\text{C} \)). Након хлађења, феромагнетна својства се поново успостављају.
Феромагнетици су искључиво чврста тела са кристалном структуром, док остали магнетици могу бити у чврстом, течном или гасовитом агрегатном стању.
Када се материјал унесе у спољашње магнетно поље индукције \( \vec{B}_0 \), у њему се ствара индуковано сопствено поље \( \vec{B}' \). Резултујућа магнетна индукција \( \vec{B} \) представља њихов векторски збир:
\[ \vec{B} = \vec{B}_0 + \vec{B}' = \vec{B}_0(1 + \chi) = \mu_r \vec{B}_0 \]
\( \chi \) – магнетна сусцептибилност (мера способности материјала да се намагнетише); \( \mu_r = 1 + \chi \) – релативна магнетна пропустљивост (пермеабилност).
Релативна магнетна пропустљивост (\( \mu_r \)) показује колико је пута магнетна индукција у датој супстанцији већа или мања од индукције у вакууму (спољашњег поља):
\[ \mu_r = \frac{B}{B_0} \]
Магнетизација представља магнетни момент јединице запремине магнетика.
Подела магнетика на основу вредности \( \mu_r \):
- Дијамагнетици (\( \mu_r < 1 \)): незнатно слабе спољашње магнетно поље (\( \mu_r \) је незнатно мање од 1).
- Парамагнетици (\( \mu_r > 1 \)): незнатно појачавају спољашње магнетно поље (\( \mu_r \) је незнатно веће од 1).
- Феромагнетици (\( \mu_r \gg 1 \)): вишеструко појачавају магнетно поље (од неколико стотина до више хиљада пута).
Хистерезисна петља је графички приказ нелинеарне и неповратне зависности магнетне индукције \( B \) у феромагнетику од спољашњег поља \( B_0 \).
- Магнетно засићење: Стање у којем су сви домени оријентисани дуж спољашњег поља, па даље јачање спољашњег поља не повећава намагнетисаност.
- Заостала (реманентна) индукција (\( B_r \)): Вредност индукције која остаје у феромагнетику након искључивања спољашњег поља (\( B_0 = 0 \)). Ово својство омогућава постојање сталних магнета.
- Коерцитивно поље (сила): Јачина супротног спољашњег магнетног поља коју је неопходно применити да би се резултујућа индукција у материјалу свела на нулу (\( B = 0 \)).
Подела феромагнетних материјала према коерцитивној сили:
- Меки феромагнетици: Имају малу коерцитивну силу (уска хистерезисна петља), лако се магнетишу и размагнетишу. Користе се за језгра електромагнета и трансформатора.
- Тврди феромагнетици: Имају велику коерцитивну силу и велику заосталу индукцију (широка петља), тешко се размагнетишу. Користе се за израду сталних (перманентних) магнета.
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): У соленоид кроз који протиче струја убачено је језгро од меког гвожђа чија је релативна магнетна пермеабилност \( \mu_r = 650 \). Ако је магнетна индукција у соленоиду без језгра износила \( B_0 = 4\text{ mT} \), колика је магнетна индукција унутар језгра?
Магнетна индукција у феромагнетном језгру рачуна се преко формуле за релативну пермеабилност:
\[ B = \mu_r \cdot B_0 \]
\[ B = 650 \cdot 4\text{ mT} = 2600\text{ mT} = 2{,}6\text{ T} \]
Одговор: Магнетна индукција унутар језгра износи \( 2{,}6\text{ T} \).
Задатак 2 (средњи): Стални магнет направљен од гвожђа загрејан је пламеником на температуру од \( 850\ ^\circ\text{C} \). Шта ће се догодити са његовим магнетним пољем након загревања и како ће се материјал понашати на тој температури?
Киријева температура за гвожђе износи \( T_c = 770\ ^\circ\text{C} \).
1. Пошто је температура од \( 850\ ^\circ\text{C} \) виша од Киријеве температуре, топлотно кретање у потпуности нарушава доменску структуру феромагнетика.
2. Гвожђе губи феромагнетна својства и сопствено трајно магнетно поље (размагнетише се).
3. На температури изнад \( 770\ ^\circ\text{C} \) гвожђе се понаша као обичан парамагнетик.
1. Пошто је температура од \( 850\ ^\circ\text{C} \) виша од Киријеве температуре, топлотно кретање у потпуности нарушава доменску структуру феромагнетика.
2. Гвожђе губи феромагнетна својства и сопствено трајно магнетно поље (размагнетише се).
3. На температури изнад \( 770\ ^\circ\text{C} \) гвожђе се понаша као обичан парамагнетик.
Задатак 3 (тежак): За израду језгра електромагнета који ради на наизменичну струју потребно је одабрати феромагнетни материјал. Да ли је за ову сврху боље употребити магнетно меки или магнетно тврди материјал и зашто?
За језгро електромагнета боље је употребити магнетно меки материјал из следећих разлога:
- Магнетно меки материјали имају малу коерцитивну силу и уску хистерезисну петљу, што значи да се лако и брзо премагнетисавају при промени смера струје.
- Мања површина хистерезисне петље значи знатно мање губитке енергије у виду топлоте при сваком циклусу премагнетисавања.
- Имају занемарљиво малу заосталу индукцију, па чим струја престане да тече, електромагнет тренутно престаје да привлачи предмете.
