Magnetismus

Magnetismus je soubor fyzikálních jevů, ve kterém objekty zaklínění nutí atraktivní nebo odpudivé s jinými materiály. Elektrické proudy a magnetické momenty základních elementárních částic jsou původem magnetického pole, které tyto síly generuje. Všechny materiály jsou více či méně komplexně ovlivňovány přítomností magnetického pole a magnetický stav materiálu závisí na jeho teplotě (a dalších proměnných, jako je tlak a vnější magnetické pole), takže materiál může vykazují různé formy magnetismu v závislosti na jeho teplotě.

Tyto permanentní magnety mají magnetické momenty stojící u zrodu ferromagnetism . Většina materiálů však nemá trvalé momenty . Některé z nich jsou přitahovány přítomností magnetického pole ( paramagnetismus ); jiné jsou naopak odpuzovány ( diamagnetismus ); ještě jiní mají mnohem složitější vztah s aplikovaným magnetickým polem ( antiferromagnetism ).

Látky, které jsou zanedbatelně ovlivňovány magnetickými poli, jsou považovány za nemagnetické látky, známé jako nemagnetické .

Dějiny

Od úsvitu času a v průběhu věků magnetismus vždy fascinoval lidi. Považován za jeden z největších zázraků přírody, byl ještě v XVII -tého století s názvem " bludiště a neproniknutelná propast filozofové 'od Athanasius Kircher ve své monumentální pojednání o magnetu . Tento neobvyklý fyzikální jev je původem překvapivých věcí, jako je přitahování nebo odpuzování předmětů, dokonce v některých případech jejich levitace. Podmínky pro objev magnetismu jsou však dodnes neznámé: nelze s ním tedy spojit přesné datum.

Od starověku do XVII -tého století: geneze magnetismu

Aristoteles je připočítán s tím, co by se dalo nazvat první „vědeckou diskusí“ o magnetismu s Thalesem z Milétu , který žil v letech 625 až 545 před naším letopočtem. BC Přibližně ve stejné době, ve starověké Indii, použil indický chirurg Sushruta jako první lóže pro chirurgické účely. Ale první, komu skutečně přisuzujeme objev magnetizace, je řecký filozof Platón (427 př. N. L. - 347 př . N. L. ).

Najít vynález kompasu je extrémně komplikované , ale přesto je to první objekt, který lidem umožnil zkrotit a pomocí magnetismu usnadnit jejich životy. Pro Evropany, tento vynález se nachází na konci XII -tého století. Alexander Neckam (1157-1217) napsal „ De naturis rerum “, ve kterém zmiňuje „ kompas, který označuje sever a vede námořníky“. Trubadúr Guiot de Provins (1150-1220) složil báseň, v níž se také zmiňuje o kompas . Jacques de Vitry (1170-1240) nám vypráví o jehle, která, dotýká se magnetu , zůstává namířená na pólovou hvězdu . To bylo dlouho přičítán vynález kompasu na italské Flavio Gioia v roce 1302, ale historici ukázali XX -tého století, že tyto skutečnosti nebyly skutečně odůvodněné. Poté byla předložena další hypotéza: byl by to Mallorčan jménem Raymond Llull (1232-1315), který by poprvé objevil sílu ocelové jehly dotčené magnetem k pohybu na sever, což by ji využilo k navigaci.

Pro Číňany se tento objev datuje do dřívější doby. Práce „ Mengxi bitan “, kterou napsal v roce 1088 lékař Shen Gua (1031-1095), již popisovala jehlu směřující na jih, když byla otřena magnetickým kamenem .

Nakonec byla opuštěna hypotéza, že Arabové navigací přenesli kompas z Číny do Evropy. S největší pravděpodobností byl kompas nezávisle vynalezen v Evropě a Číně.

Na XVI th století, první experimentální pozorování prováděl Neapolitan učencem Giambattista della Porta . Podává zprávu v Magia naturalis (1589) o svých fyzikálních experimentech o přitahování železa magnetickým kamenem, o vlastnostech dvou pólů magnetu, o fungování zlomeného magnetu. Přibližně ve stejné době anglický učenec William Gilbert (1544 - 1603) pracoval na magnetismu mnohem systematičtěji. Ve své práci De magnete , publikované v roce 1600, zhodnotil téměř dvacetileté zkušenosti. Předvádí praktickým provedením experimentální metody vědce baconského typu.

Poté v XVII th století, fyzik René Descartes (1596-1650) ochranné známky evoluce v historii magnetismu. Byl prvním, kdo ve své práci „ Principy filozofie “ (1644) založil fyzikální teorii magnetismu .

XIX th století: elektromagnetismus revoluce

Druhá polovina XVIII -tého století se zrodil rostoucího zájmu o fenoménu elektrické stejně jako na začátku pátrání po spojení mezi elektřinou a magnetismem.

Začíná to italským fyzikem a lékařem Luigim Galvanim . Ten studuje vliv elektřiny na dolní končetiny žab. Jeho zkušenosti ho vedly k publikování jeho výsledků ve studii: „ De viribus electricitatis in motu musculari. Commentarius “v roce 1791. V této studii formuluje hypotézu„ zvířecí elektřiny “vylučované mozkem, která je vybita spojením nervů a svalů s kovem.

Tato práce inspirovala vídeňského lékaře Franze Mesmera, který využíval „ zvířecí magnetismus “ k poskytování péče svým pacientům. Tváří v tvář popularitě této metody, jakkoli kontroverzní, nařídil král Ludvík XVI. V roce 1784 dvěma komisím složeným z lékařů a vědců posoudit vědeckou přísnost této metody. Tyto komise odsoudily zvířecí magnetismus na základě veřejné morálky. V tomto období tedy slovo „magnetismus“ nabývá dvou různých významů: nyní rozlišujeme magnetismus zvířat od magnetismu fyzického.

V roce 1820 poprvé prokázal souvislost mezi elektřinou a magnetismem dánský fyzik Hans Christian Œrsted během experimentu. Fyzik umístí kompas pod drát, kterým prochází elektrický proud. Ve výsledku si všiml, že jehla kompasu byla umístěna kolmo ke směru drátu, kterým prochází proud. Populární video vytvořené CNRS umožňuje vidět a porozumět této zkušenosti. Výsledky zveřejnil 21. července 1820 v článku „ Expermienta circa effectum conflictus electrici in acum magneticam “, který bude přeložen a distribuován po celé Evropě. Ve stejném roce se výsledky Œrsted dostaly do rukou francouzských fyziků Françoise Araga a André-Marie Ampèra , kteří spěchali s úspěchem zopakovat experiment.

Tato zkušenost znamená začátek „ elektromagnetické revoluce “: roky, které budou následovat po roce 1820, budou svědky velkých změn jak v chápání elektromagnetických jevů, tak v aplikaci těchto jevů prostřednictvím nových vynálezů.

Také v roce 1820 se francouzským Jean-Baptiste Biotovi a Félixu Savartovi podařilo matematicky popsat magnetické pole generované distribucí přímých proudů. Zákon Biot-Savartův je oporou magneto-statické (studium magnetických polí nezávislých času).

V roce 1821 se André-Marie Ampère domníval, že magnetismus je ve vodivých materiálech nesčetných drobných částic elektricky nabitých a v pohybu. Ve stejném roce vytvořil Michael Faraday první primitivní elektrický motor „obrácením“ zkušenosti s Œrstedem. Umístí permanentní magnet do rtuťové lázně a do této lázně umístí drát nesoucí elektrický proud . Vlákno se začne otáčet kruhovým způsobem.

V roce 1825 vytvořil anglický fyzik William Sturgeon první praktický elektromagnet . Krátce po vynálezu elektromotoru , Michael Faraday objevil v roce 1831 elektromagnetické indukce , vzhled jako elektromotorické síly v elektrickém vodiči, který byl podroben proměnného magnetického pole . Tento jev v současné době tvoří základ naší technologie a nachází uplatnění v transformátorech , dynamech nebo dokonce alternátorech . Faraday také popsal v roce 1845 paramagnetismus a diamagnetismus .

Druhá část XIX -tého století bude ve znamení formulaci Maxwellovy rovnice publikované v březnu 1861 ve studii „ Na fyzických řadách síly “. V této studii skotský fyzik James Clerk Maxwell spojuje práci o magnetismu a elektřině, kterou provedli Michael Faraday a André-Marie Ampère, do souboru dvaceti rovnic, které budou později redukovány na čtyři. Tyto rovnice popisují chování elektromagnetického pole a jeho interakce s hmotou.

V roce 1887 vynalezl vynálezce Nikola Tesla první elektrický indukční motor s využitím práce Michaela Faradaye o elektromotoru , elektromagnetické indukci a střídavém proudu . V roce 1890 studoval skotský fyzik a inženýr James Alfred Ewing magnetické vlastnosti kovů a objevil fenomén hystereze .

O několik let později francouzský fyzik Pierre Curie zase studoval magnetické vlastnosti materiálů a prokázal, že magnetická susceptibilita materiálu je nepřímo úměrná jeho teplotě. Z toho čerpal zákon Curie v roce 1895.

A konečně, v roce 1898, dánský inženýr Valdemar Poulsen vynalezl magnetický záznam vytvořením zařízení, které transformuje variace magnetického pole pásky na elektrický signál.

XX th století: vědecký a technický pokrok

Je to konec XIX th století a na počátku XX -tého , že teoretické studium magnetických materiálů se úspěšně řešit. Paul Langevin , je zejména s ohledem na práci Pierra Curie , používá statistické mechaniky k Boltzmann stanovit klasickou statistickou teorii paramagnetismus . Rovněž specifikuje pojmy indukovaného a permanentního magnetismu .

Jeho teorie antiferromagnetismu (1936) a ferrimagnetismus (1948) získal Louis Néel Nobelova cena za fyziku v roce 1970. Byl to rok po vydání první, že první nesporná antiferomagnetický, MnO , byla objevena od Henri Bizette a Belling Tsai .

Nástup kvantové mechaniky , a zejména objev elektronové rotace v roce 1925 Georgem Uhlenbeckem a Samuelem Goudsmitem , měly zásadní význam. Opravdu to umožnilo vysvětlit původ gigantických molekulárních polí pozorovaných u silně magnetických látek, jejichž existenci nebylo možné prokázat jedinou interakcí magnetických dipólů mezi atomovými magnetickými momenty . Werner Heisenberg tak v roce 1929 ukázal, že tato pole jsou elektrostatického původu a mají kvantovou povahu a že je lze interpretovat z hlediska vazby mezi dvěma sousedními točeními.

Fenomén nukleární magnetické rezonance (NMR), založený na vazbě mezi magnetickým momentem jádra atomů a vnějším magnetickým polem , objevili Felix Bloch a Edward Purcell v roce 1946, což jim v roce 1972 vyneslo Nobelovu cenu. pak v šedesátých letech vědci pochopili, že NMR mohou mít aplikace v oblasti medicíny, a tak první snímek získaný magnetickou rezonancí ( MRI ) vytvořil Američan Paul Lauterbur v roce 1973.

Dalším důležitým zjištěním XX -tého století, je to supravodičů , provedené Kamerlingh Onnes v roce 1911. supravodivé otevřené pohledy obrovský, protože mohou použít komponentu magnetismu dříve nevyužité: The lévitation.En 1986 Johannes Georg Bednorz a Karl Müller , objevovat supravodiče při vysoká kritická teplota (vyšší než 30 K), což je v rozporu s teoriemi zavedenými do té doby. Tato skupina materiálů umožňuje přepravovat mnohem více elektřiny v mnohem menších kabelech, a proto naznačuje značný pokrok v oblasti dopravy nebo dokonce nových technologií . Z vlaku na magnetické levitace využitím supravodiče jsou v současné době v provozu a slibují naší revoluci v dopravě.

Základy

Definice základních veličin magnetismu

Magnetické pole je veličina, která má charakter vektorového pole , to znamená, že charakteristická data o normu, směr a směru definovaném v libovolném bodě v prostoru, což umožňuje modelu a kvantifikovat magnetické účinky elektrického proudu nebo magnetické materiály, jako jsou permanentní magnety .

Lze jej zvýraznit pomocí magnetické jehly, která poté zaujme určený směr. Magnetické pole v bodě v prostoru obsazeném jehlou se vyznačuje následujícími vlastnostmi:

směr: směr magnetické jehly, který je orientován podél siločar;
směr: zvolen podle směru jih-sever magnetické jehly;
standard: tesla (označeno T), jednotka mezinárodního systému .

Existují dva typy externích zdrojů magnetického pole:

specifický magnetický moment částic, nazývaný spin (odkud pocházejí permanentní magnety);
elektrický proud , to znamená pohyb sady elektrických nábojů .

Magnetizace je velikost vektoru , který charakterizuje měřítko makroskopický magnetické chování materiálu vzorku. Je to součet orbitálních mikroskopických momentů a magnetických spin momentů z elektronů a atomů . Měří se v ampérech na metr , ale někdy se udává, co se měří v teslasech , což je propustnost vakua . ${\ displaystyle \ mu _ {0} {\ vec {M}}}$ $\ mu _ {0}$

Ptáme se: ${\ vec H} = {\ frac {{\ vec B}} {\ mu _ {0}}} - {\ vec M}$

${\ vec H}$ je kvalitativně magnetické pole, ze kterého byl odstraněn příspěvek hmoty. Stejně jako je to vyjádřeno v ampérech na metr . ${\ vec M}$

${\ vec H}$ a jsou dvě související vektorová pole, jejichž názvy jsou špatně definované. Formální dohody dát jméno magnetické pole a to magnetické indukce . V tomto článku budeme používat obvyklá jména: budou se jmenovat magnetické pole a magnetické buzení . ${\ vec {B}}$ ${\ vec H}$ ${\ vec {B}}$ ${\ vec {B}}$ ${\ vec H}$

Přítomnost magnetického pole se projevuje výskytem síly působící na elektrické náboje v pohybu (známá jako Lorentzova síla ), jakož i různými efekty ovlivňujícími určité materiály a které budou podrobně popsány v tomto článku ( paramagnetismus , diamagnetismus nebo feromagnetismus podle případů). Velikost, která určuje interakci mezi materiálem a magnetickým polem, je magnetická susceptibilita , definovaná koeficientem proporcionality, zaznamenaná , což dává vztah . $\ chi _ {m}$ ${\ vec M} = \ chi _ {m} \ cdot {\ vec H}$

Magnetická propustnost a citlivost

Přítomnost materiálu mění magnetické pole. Ptáme se:

${\ vec B} = \ mu. {\ vec H}$ s : magnetická permeabilita materiálu $\ mu$

Definujeme by se magnetizace vektoru získaného materiálu ${\ vec M}$

M→=χ.H→{\ displaystyle {\ vec {M}} = \ chi. {\ vec {H}}} ${\ vec M} = \ chi. {\ vec H}$ s : magnetická susceptibilita materiálu χ{\ displaystyle \ chi} $\ chi$
- odkud : ${\ vec B} = \ mu _ {0} ({\ vec H} + {\ vec M}) = (1+ \ chi) {\ vec B} _ {0}$

Ptáme se také:

$\ mu _ {r} = {\ frac {\ mu} {\ mu _ {0}}} = (1+ \ chi)$ s : relativní propustnost materiálu. $\Stěna}$

Hysterezní cykly

Když jsme magnetizovali vzorek materiálu na nasycení a snížili jsme excitaci H , vidíme, že B také klesá, ale po jiné křivce, která je umístěna nad první křivkou. To je způsobeno zpožděním demagnetizace. Říkáme, že existuje hystereze .

Když je H přivedeno zpět na 0, zůstane magnetické pole B r zvané remanentní pole (z latinského remanere , aby zůstalo). Chcete-li zrušit toto remanentní pole, je nutné obrátit proud v solenoidu, to znamená uložit negativní hodnotu na H. Magnetické pole je poté zrušeno pro hodnotu excitace H c nazvanou koercitivní pole .

Makroskopický popis magnetismu v hmotě

Faraday ukázal, že jakákoli látka je magnetizovatelná, ale nejčastěji je účinek znatelný pouze v intenzivním magnetickém poli; umístěním tyčí různých látek do nerovnoměrného magnetického pole:

některé přitahují oblasti silného pole tím, že se orientují rovnoběžně s polními čarami jako lišta z měkkého železa. O látkách srovnatelných se železem se říká, že jsou feromagnetické ;
jiné jsou tlačeny zpět do oblastí, kde je magnetické pole slabé, a orientují se kolmo na siločáry; o těchto látkách se říká, že jsou diamagnetické .

Látky, které podléhají účinkům stejné povahy jako železo, ale mnohem méně intenzivní, se považují za paramagnetické .

Solenoid (válcové vinutí) prochází proudem intenzity vytváří magnetické pole poznamenali . Pokud je uvnitř tohoto solenoidu umístěn materiál, je pozorována modifikace modulu vektoru magnetického pole, která bude nyní zaznamenána . $Já$ ${\ vec B} _ {0} \,$ ${\ vec {B}}$

Poznámka: v některých starých dílech nebo v některých odborných knihách se nazývá vektorová magnetická indukce ${\ vec {B}}$

Materiály bez magnetického řádu v jejich přirozeném stavu

Diamagnetismus

Diamagnetismus je chování materiálů, což vede, když je vystaven magnetickému poli , vygenerovat další magnetické pole opačné, vytvořený velmi nízkou magnetizace . Když pole již není aplikováno, magnetizace zmizí. Diamagnetism je jev, který se objevuje ve všech atomové hmoty, ale to se maskuje účinky paramagnetismus nebo ferromagnetism když existovat společně s ním v materiálu.

Klasický popis diamagnetismu

Když je aplikováno magnetické pole, magnetický tok procházející povrchem popsaným uzavřenou trajektorií elektronu se změní. Elektron reaguje podle klasického indukčního jevu , který indukuje opačný magnetický moment a je úměrný použitému poli. Toto je původ diamagnetismu, což je jev přítomný ve všech materiálech, který však může být maskován jinými jevy (zejména paramagnetickými), jejichž účinek je důležitější.

Limit klasického popisu

Tento popis má své limity. Skutečně se dalo předpokládat, že poloměr oběžné dráhy elektronu je konstantní; jinak by výpočet poskytl nulovou magnetickou odezvu.

Nelze tedy ignorovat kvantovou stránku tohoto jevu: v roce 1919 JH van Leeuwen ve své disertační práci prokázal, že magnetismus nelze vysvětlit pouze pomocí Maxwellovy elektrodynamiky a klasické statistické mechaniky. To je podstata Bohr-van Leeuwenovy věty .

Kvantový popis diamagnetismu

U izolátorů : pokud je klasická vize diamagnetismu s Lenzovým zákonem chybná, kvantový přístup ze psaní Hamiltonian v přítomnosti magnetického pole ospravedlňuje tuto interpretaci modifikace elektronických oběžných drah.

V kovech : kromě předchozího atomového diamagnetismu jádrových elektronů lze pozorovat další příspěvek vodivých elektronů. To je způsobeno přítomností diskrétních úrovní Landau (místo kontinuální struktury pásma), jakmile je aplikované pole nenulové. Toto je Landauův diamagnetismus.

Poznámka: termín dokonalý diamagnetismus se používá k označení chování supravodičů, které v nich vytvářejí indukované povrchové proudy, které jsou v rozporu s jakoukoli variací v magnetickém poli a udržují nulové vnitřní magnetické pole pro supravodiče typu I. se používá k výrobě magnetické levitace se supravodiči ( typu II).

Paramagnetismus

Paramagnetismus označuje magnetismus chování materiálu média, které nemá žádné z magnetizační spontánní, ale které, pod účinkem magnetického pole vně, získává magnetizaci směřující ve stejném směru jako budicího pole. Paramagnetický materiál má proto magnetickou citlivost kladné hodnoty (na rozdíl od diamagnetických materiálů ), která je obecně poměrně nízká. Tato magnetizace zmizí, když je excitační pole přerušeno, takže neexistuje žádný hysterezní jev jako u feromagnetismu .

Paramagnetismus neoznačuje vnitřní vlastnost materiálu, ale chování v reakci na magnetické pole, chování, které se může měnit v závislosti na uvažovaných podmínkách. Feromagnetický materiál se tedy stává paramagnetickým, když jeho teplota překročí Curieovu teplotu .

V mikroskopickém měřítku lze paramagnetický materiál popsat jako soubor nezávislých magnetických dipólů. Odezva systému na aplikované magnetické pole je poté určena poměrem sil mezi magnetickou energií na jedné straně, která má tendenci uspořádat dipóly jejich vyrovnáním podle aplikovaného pole, a energií tepelného míchání jiné části, která podporuje nepořádek. Léčba tohoto problému statistickou fyzikou umožňuje demonstrovat zákon Curie, který potvrzuje, že magnetická susceptibilita paramagnetického materiálu je nepřímo úměrná teplotě.

Klasický popis paramagnetismu

Když mají atomy svůj vlastní permanentní magnetický moment , je diamagnetismus (vždy přítomný) maskovaný paramagnetismem. Pod účinkem vnějšího magnetického pole se tyto atomy, malé permanentní magnety, orientují podle aplikovaného pole a zesilují ho. Tento jev je omezen tepelný pohyb a je silně závislá na teplotě ( zákon Curie : ) ${\ mathbf {M}} = C \ cdot {\ frac {{\ mathbf {B}}} {T}}$

Limit klasického popisu

Předpokládalo se, že magnetické momenty mají konstantní normu, zatímco klasická mechanika umožňuje všechny momenty, protože opět bychom našli neexistující magnetickou odezvu. Předchozí uvažování je tedy poloklasické a musí být doplněno kvantovým uvažováním. $\ mu$

Kvantový popis paramagnetismu

U izolátorů : je nutné upravit klasický přístup pamatováním na to, že možné hodnoty projekce momentu hybnosti jsou diskrétní. Místo výpočtu integrálu, který dává Langevinův paramagnetismus, musíme vypočítat diskrétní součet, který dává Brillouinův paramagnetismus. Tyto dva přístupy mají sklon ke stejnému výsledku v klasické hranici, kde má moment hybnosti tendenci . $J$ $+ \ infty$

V kovech : existuje další příspěvek způsobený vodivými elektrony, ale mnohem nižší než paramagnetismus izolátorů, protože se týká pouze elektronů poblíž úrovně Fermiho. Aplikace magnetického pole bude energeticky upřednostňovat elektrony paralelní rotace (Zeemanova energie) a systém bude mít více elektronů paralelního vedení rotace než antiparalelní. Pozorujeme tedy paramagnetickou odezvu, je to Pauliho paramagnetismus. U téměř volných elektronů ukazujeme, že Pauliho paramagnetická odezva je v absolutní hodnotě třikrát větší než Landauův příspěvek. Paramagnetický efekt tedy skrývá diamagnetismus.

Přírodní a permanentní magnety: feromagnetismus

Feromagnetismus

Feromagnetické materiály jsou tělesa, která mají schopnost magnetizovat se působením vnějšího magnetického pole a udržovat tuto magnetizaci . Liší se od paramagnetik, které si nezachovávají magnetizaci při nulovém poli. Existují dvě podkategorie, jmenovitě tvrdé feromagnetické (které se používají k výrobě permanentních magnetů) a měkké feromagnetické. Tyto materiály se běžně používají ve světě průmyslu i v každodenním životě. Nejběžnějším použitím je „magnet“, který je permanentním magnetem (tvrdým feromagnetickým), který sbíráte na ledničce. Remanentní magnetizace je způsobena řádem v mikroskopickém měřítku (definovaným Heisenbergovou výměnnou interakcí) a řádem v materiálovém měřítku ( Blochova zeď , Weissova doména ).

Ve skutečnosti, když je materiál feromagnetický nebo ferimagnetický, je rozdělen na domény zvané Weissovy domény , ve kterých je magnetická orientace identická. Každá doména se poté chová jako magnet. Tyto oblasti jsou odděleny stěnami zvanými Blochovy stěny .

Tyto domény neexistují, pokud jsou rozměry materiálu velmi malé (několik nm). O těchto materiálech se říká, že jsou nanokrystalické.
Posun těchto stěn je zodpovědný za jevy hystereze.

Anizotropie magnetické vysvětlit osy magnetizace snadné.

Feromagnetická tělesa

Pro průmyslové použití jsou železo , kobalt a nikl nejpoužívanějším feromagnetickým materiálem. Kromě toho jsou některé vzácné zeminy ( Lanthanidy v periodické tabulce ) také feromagnetické při nízkých teplotách a používají se v průmyslu.

Pokud jde o slitiny , situace je velmi složitá: některé slitiny železa a niklu nejsou feromagnetické (např. Austenitická nerezová ocel), zatímco Heuslerova slitina sestávající pouze z neferomagnetických kovů (61% Cu, 24% Mn, 15% Al ), je feromagnetický.

Nakonec musíme přidat ferity , jejichž složení je ve formě (MO; Fe 2 O 3 ), kde M je dvojmocný kov a jejichž nejstarším zástupcem je magnetit Fe 3 O 4 (FeO; Fe 2 O 3 ).

První magnetizační křivka

Začněme od nulové magnetizace s nulovým polem. Slabým zvyšováním vnějšího pole se magnetické momenty v některých oblastech otočí. Pokud je doména již zarovnána ve směru aplikovaného pole, sousední domény se postupně zarovnají. To znamená, že Blochova stěna byla přesunuta. Tento mechanismus je reverzibilní pro nízké pole. U průměrných externích polí se stává nevratným. A konečně, pro silné magnetické buzení dochází k rotaci magnetizací domén ve směru vnějšího pole. Makroskopicky je dosaženo M sat .

Důsledky hystereze pro feromagnetické materiály

Magnetizace hmoty absorbuje energii, která se během demagnetizace obnovuje jen částečně. Tato energie je rozptýlena v kalorické formě: materiál se zahřívá. Ukazuje se, že hysterezní ztráty jsou úměrné ploše hysterezního cyklu.

V případě, že feromagnetická látka musí popisovat velké množství hysterezních cyklů (rotační stroje, transformátory atd.), Je nutné zvolit materiály tak, aby plocha cyklu byla co nejmenší. O těchto materiálech se říká, že jsou magneticky „měkké“. "

Na druhou stranu, díky vysoké hysterezi můžeme dosáhnout permanentních magnetů. K jejich výrobě se používají magneticky tvrdé materiály: vhodné jsou určité hliníkové, niklové nebo kobaltové oceli. Magnety jsou také vyrobeny ze železného prášku aglomerovaného v izolátoru.

Měkké magnetické materiály

Měkké feromagnetické materiály jsou podskupinou feromagnetických materiálů, což znamená, že jsou schopné magnetizovat, jsou-li vystaveny vnějšímu magnetickému poli. Zvláštností měkkých feromagnetických materiálů je, že činnost vytváření nebo zrušení magnetizace v materiálu vyžaduje méně energie než u tvrdých feromagnetických materiálů. Měkká feromagnetika se používá v transformátorech, elektromagnetech nebo v jakékoli aplikaci, kde materiál pracuje s vysokou frekvencí. Mají velmi slabé donucovací pole s velmi vysokou citlivostí . Právě tato silná náchylnost umožňuje získat silnou indukci ze slabého vnějšího pole, a tak být užitečná v elektromagnetech nebo při směrování siločar. Slabé donucovací pole a silná náchylnost vedou k zúžení hysterezního cyklu . Oblast tohoto cyklu představuje energii rozptýlenou ve formě tepla během úplného průběhu cyklu, zvaného „magnetické ztráty“.

Měkké magnetické materiály se používají k výrobě elektromagnetů (jejich magnetizace musí být snadno zrušitelná) nebo magnetických obvodů pracujících ve střídavém režimu (elektrické stroje, transformátory).

Tvrdé magnetické materiály

Tvrdé feromagnetické materiály jsou podskupinou feromagnetických materiálů. Mají přirozenou magnetizaci přítomnou v nepřítomnosti vnějšího magnetického pole, stejně jako vysoké donucovací pole a remanenci . Stejně jako u jiných feromagnetických materiálů má i tvrdá feromagnetika tu vlastnost, že v přítomnosti vnějšího magnetického pole silně magnetizuje. Tvrdá feromagnetika se od měkkých feromagnetik odlišuje svými magnetickými vlastnostmi, jako je tvar jejich hysterezního cyklu. Hysterezní cyklus měkkých feromagnetik je jemný a protáhlý nahoru, zatímco cyklus tvrdých feromagnetik je zploštělý a protáhlý na ose x. Tvrdé feromagnetické materiály jsou základem permanentních magnetů, zejména magnetů s vysokým výkonem.

Na rozdíl od předchozích jsou cykly extrémně velké: několik stovek kA m -1 . Je nemožné je nakreslit do stejného souřadnicového systému jako předchozí.

Některé z těchto materiálů na bázi vzácných zemin ( slitiny samarium- kobalt nebo neodym- železo- bor ) se nemagnetizují, i když je vnitřní magnetické pole zrušeno (excitace je pak H cB ). Pro zrušení (ve skutečnosti obrácení) magnetizace je nutné zajistit magnetické buzení zvané H cM : nevratné buzení demagnetizace.

Aplikace těchto materiálů spočívá ve výrobě velmi silných permanentních magnetů . Tyto ferrofluids jsou suspenze magnetických částic o velikosti nanometrů v kapalině. Tyto kapaliny reagují na vnější magnetické pole (například jejich povrchové štětiny s hroty).

Mikroskopický původ feromagnetismu

Pro získání materiálu s vysokým koercitivním polem je nutné omezit nukleaci a / nebo šíření stěn při vzniku reverze magnetizace. Čím snadněji se magnetizace obrátí, tím slabší je donucovací pole materiálu a tím více magnetických domén existuje. Strukturální vady fungují jako nukleační místa. Aby se tomuto jevu zabránilo, lze materiál rozdělit na několik magneticky izolovaných částí. Proto reverze magnetizace způsobená vadou zůstává lokalizována a nezpůsobuje efekt reverzní kaskády v materiálu. Nejpoužívanější technikou pro získání takovéto mikrostruktury je prášková metalurgie.

Weissovy domény

Když je materiál feromagnetický nebo ferimagnetický, dělí se na domény nazývané Weissovy domény , ve kterých je magnetická orientace stejná. Tato doména se poté chová jako magnet. Tyto oblasti jsou odděleny stěnami zvanými Blochovy stěny .

Tyto domény neexistují, pokud jsou rozměry materiálu velmi malé (několik nm ). O těchto materiálech se říká, že jsou nanokrystalické.
Posun těchto stěn je zodpovědný za jevy hystereze.

Klasifikace magnetických efektů

Níže je uveden souhrn hlavních skupin magnetických materiálů zmíněných v tomto článku, klasifikovaných podle jejich magnetické susceptibility : $\ chi$

Typ magnetismu	Hodnota $\ chi$	Znamení $\ chi$	Magnetický moment atomů	Variace jako funkce teploty $\ chi$	Příklady
Diamagnetismus	Extrémně nízká, kolem 10 - 5	Záporný	Ne	$\ chi$ = konstantní	Stříbro , zlato , měď , rtuť , olovo , téměř všechny organické sloučeniny
Paramagnetismus	Velmi nízká, kolem 10 - 3	Pozitivní	Náhodně orientovaný	$\ chi$ následuje Curieův zákon : ${\ displaystyle \ chi = {\ frac {C} {T}}}$	Platina , mangan , hliník a některé sloučeniny feromagnetických prvků, například slitina 68% železo 32% nikl
Feromagnetismus	Velmi velký, může dosáhnout 10 5	Pozitivní	Zarovnáno a paralelně	Nad Curieovou teplotou T C se řídí Curie-Weissovým zákonem $\ chi$ ${\ displaystyle \ chi _ {m} = {\ frac {C} {T-T_ {c}}}}$	Železo , kobalt , nikl a velké množství jejich slitin, zejména ocelí , a některé z jejich sloučenin, jakož i určité kombinace neferomagnetických prvků
Antiferromagnetism	Velmi vysoký	Pozitivní	Zarovnáno a antiparalelně	Nad Néel teploty T N , klesá s rostoucí teplotou. Pod T N klesá s klesající teplotou. V T N dosahuje svého maxima. $\ chi$	Chrom , oxid manganičitý , hematit
Ferimagnetismus	Velmi velký, může dosáhnout 10 5	Pozitivní	Zarovnané, antiparalelní a nerovné		Ferit barnatý

V elektrotechnice jsou důležité pouze feromagnetické a ferimagnetické materiály, protože jako jediné významně zvyšují magnetické pole (viz níže uvedená část o aplikacích).

Aplikace

Existuje mnoho aplikací magnetismu v každodenním životě a ve světě průmyslu, dvě z nich jsou představeny v této části.

Zájem o použití magnetismu jako média pro informace vznikl při pokusu o minimalizaci energie potřebné pro skladování. Princip je založen na feromagnetických vlastnostech, které umožňují uchování orientace aplikovaného vnějšího pole v paměti. Data uložená například na pevném disku se zapisují na malé magnetické objekty. Tento typ ukládání informací nevyžaduje elektrický proud, a proto umožňuje ukládání informací na pevné disky bez nutnosti baterie nebo baterie.

Tato technologie v současné době umožňuje ukládat stále více dat do zmenšeného prostoru díky miniaturizaci těchto objektů a stále vyšší přesnosti prostředků pro čtení těchto informací.

Hallův proudový snímač

Jak jsme viděli dříve, když proud prochází vodičem, způsobí vytvoření magnetického pole kolem tohoto vodiče. Tato vlastnost se používá k měření proudů pomocí snímačů s Hallovým efektem .

Princip Hallova jevu je jednoduchý, proud, který chceme měřit, bude generovat magnetické pole kolem drátu a právě toto magnetické pole budeme schopni pomocí senzoru kvantifikovat a poté se vrátit k hodnotě proud protékající drátem.

U elektronických součástek jsou snímače Hallova jevu relativně levné. Lze je najít ve smartphonech nebo laptopech . Jsou tím, co uvede vaše zařízení do režimu spánku, když je složená obrazovka notebooku.

Poznámky a odkazy

Margaret Llasera, Vědecké reprezentace a poetické obrazy v Anglii v 17. století: při hledání neviditelných vydání ENS,1999( číst online ).
„ Biografie Mesmera “ , na medarus.org ,15. února 2014(zpřístupněno 11. května 2015 ) .
[video] První zkušenosti na webu ampere.cnrs.fr
„ Práce Maxwella “ , na CNRS ,Červenec 2007(přístup 10. května 2015 ) .
„ Popis výměny interakce “ , na www.g2elab.grenoble-inp.fr (přístup 20. května 2015 )
„ Historie zobrazování magnetickou rezonancí “ , na www.rim-radiologie.fr ,31. ledna 2011(zpřístupněno 5. května 2015 )
" supravodiče vysoké teploty " na www.toulouse.lncmi.cnrs.fr (přístupné 1 st 05. 2015 )
Aurélien Roudier, Fyzikální forma Syntéza kurzů a aplikací, Casteilla, 2012

Bibliografie

(en) Chris Rees, Magnets and Magnetism: A Brief History , Polaris Magnets, 8. ledna 2015.
(en) Nancy Forbes, Faraday, Maxwell a elektromagnetické pole: Jak dva muži revoluci ve fyzice , Prometheus Books, 11. března 2014.
(en) Gerrit L. Verschuur, Hidden Attraction: The History and Mystery of Magnetism , New Ed, 3. října 1996.
(en) Paul Fleury Mottelay, Bibliografická historie elektřiny a magnetismu , Obecné knihy, 13. ledna 2010.
Étienne Du Tremolet De Lacheisserie, Magnetism I , EDP Sciences, 2001.
Jean Daujat , Počátky a formování teorie elektrických a magnetických jevů , Hermann, 1945, 530 s.
Charles Kittel ( trad. Nathalie Bardou, Evelyne Kolb), fyzika pevných látek [" Fyzika pevných látek "]1998[ detail vydání ]
Laurent Patrick Lévy, magnetismus a supravodivost , EDP Sciences
Lev Landau a Evgueni Lifchits , teoretická fyzika , t. 8: Elektrodynamika spojitých médií [ detail vydání ]
Neil W. Ashcroft a N. David Mermin, Fyzika pevných látek [ detail vydání ]
Jean-Paul Poirier a Jean-Louis Le Mouël z Institut de physique du globe de Paris , Stručná historie magnetismu , Belin, 176 s. , 2013 ( ISBN 978-2-7011-7532-4 )

Podívejte se také

Související články

externí odkazy

Muzeum seismologie a zemského magnetismu
David P. Stern, Země, velký magnet
Magnetismus a magnetický moment , Astronoo
Národní centrum pro vědecký výzkum