FERROMAGNETISME: BAHAN, APLIKASI DAN CONTOH - FIZIKAL - 2026

The ferromagnetism adalah harta yang memberikan beberapa bahan-bahan tindak balas magnet yang kuat dan kekal. Secara semula jadi terdapat lima unsur dengan sifat ini: besi, kobalt, nikel, gadolinium dan dysprosium, tanah nadir terakhir.

Dengan adanya medan magnet luaran, seperti yang dihasilkan oleh magnet semula jadi atau elektromagnet, zat bertindak balas dengan cara yang khas, sesuai dengan konfigurasi dalamannya. Besarnya yang mengukur tindak balas ini adalah kebolehtelapan magnetik.

Magnet membentuk jambatan. Sumber: Pixabay

Kebolehtelapan magnetik adalah kuantiti tanpa dimensi yang diberikan oleh hasil bagi intensiti medan magnet yang dihasilkan di dalam bahan dan medan magnet yang digunakan secara luaran.

Apabila jawapan ini jauh lebih besar daripada 1, bahan tersebut dikelaskan sebagai feromagnetik. Sebaliknya, jika kebolehtelapan tidak lebih besar daripada 1, tindak balas magnetik dianggap lebih lemah, mereka adalah bahan paramagnetik.

Dalam besi kebolehtelapan magnet adalah perintah 10 ⁴ . Ini bermaksud bahawa medan di dalam besi lebih kurang 10,000 kali lebih besar daripada medan yang digunakan secara luaran. Yang memberikan idea betapa kuatnya tindak balas magnetik mineral ini.

Bagaimana tindak balas magnet berasal dari bahan?

Magnetisme dikenali sebagai kesan yang berkaitan dengan pergerakan cas elektrik. Itulah yang sebenarnya terdiri daripada arus elektrik. Dari manakah sifat magnet magnet bar yang mempunyai nota yang tersekat di peti sejuk berasal?

Bahan magnet, dan juga bahan lain mengandungi proton dan elektron di dalam, yang mempunyai gerakan sendiri dan menghasilkan arus elektrik dengan pelbagai cara.

Model yang sangat sederhana menganggap elektron dalam orbit bulat di sekitar nukleus yang terdiri daripada proton dan neutron, sehingga membentuk gelung arus yang kecil. Setiap gelung dikaitkan dengan magnitud vektor yang disebut "momen magnetik orbit", yang keamatannya diberikan oleh produk arus dan kawasan yang ditentukan oleh gelung: magneton Bohr.

Sudah tentu, dalam gelung kecil ini arus bergantung pada cas elektron. Oleh kerana semua bahan mengandungi elektron di bahagian dalamnya, semuanya memiliki prinsipnya, kemungkinan menyatakan sifat magnet. Walau bagaimanapun, tidak semuanya berlaku.

Ini kerana momen magnetiknya tidak sejajar, tetapi disusun secara rawak ke dalam, sehingga kesan magnet makroskopiknya hilang.

Kisahnya tidak berakhir di sini. Produk momen magnetik gerakan elektron di sekitar nukleus bukan satu-satunya sumber kemagnetan pada skala ini.

Elektron mempunyai sejenis gerakan putaran di sekitar paksinya. Ini adalah kesan yang diterjemahkan menjadi momentum sudut intrinsik. Harta ini dipanggil putaran elektron.

Secara semula jadi ia juga mempunyai momen magnet yang berkaitan dan jauh lebih kuat daripada momen orbit. Sebenarnya, sumbangan terbesar pada momen magnet bersih atom adalah melalui putaran, namun kedua momen magnetik: terjemahan dan momentum sudut intrinsik, menyumbang kepada jumlah momen magnetik atom.

Momen-momen magnetik inilah yang cenderung sejajar dengan adanya medan magnet luaran. Dan mereka juga melakukannya dengan medan yang dihasilkan oleh momen tetangga dalam bahan.

Sekarang, elektron biasanya berpasangan dalam atom dengan banyak elektron. Pasangan terbentuk di antara elektron dengan putaran yang berlawanan, sehingga momen putaran berputar terbatal.

Satu-satunya cara putaran menyumbang kepada jumlah momen magnetik adalah jika salah satu daripadanya tidak berpasangan, iaitu atom mempunyai bilangan elektron yang ganjil.

Bagaimana dengan momen magnetik proton dalam nukleus? Nah, mereka juga mempunyai momentum putaran, tetapi tidak dianggap memberi sumbangan yang besar terhadap daya tarikan atom. Ini kerana momen putaran terbalik bergantung pada jisim dan jisim proton jauh lebih besar daripada elektron.

Domain magnet

Dalam besi, kobalt dan nikel, unsur segitiga dengan tindak balas magnetik yang hebat, momen putaran bersih yang dihasilkan oleh elektron tidak sifar. Dalam logam ini, elektron dalam orbit 3d, yang paling terluar, adalah yang menyumbang kepada momen magnet bersih. Itulah sebabnya bahan seperti itu dianggap feromagnetik.

Walau bagaimanapun, momen magnet setiap atom ini tidak mencukupi untuk menjelaskan tingkah laku bahan feromagnetik.

Di dalam bahan magnet yang kuat terdapat kawasan yang disebut domain magnet , yang lanjutannya dapat bervariasi antara 10 ^-4 dan 10 ^-1 cm dan yang mengandungi berbilion atom. Di kawasan-kawasan ini, momen putaran bersih atom jiran menjadi gandingan erat.

Apabila bahan dengan domain magnet menghampiri magnet, domain sejajar antara satu sama lain, meningkatkan kesan magnet.

Ini kerana domain, seperti magnet bar, mempunyai kutub magnet, yang sama dilambangkan Utara dan Selatan, sehingga seperti kutub yang menghalau dan kutub yang berlawanan menarik.

Apabila domain sejajar dengan medan luaran, bahan memancarkan suara retak yang dapat didengar dengan penguatan yang sesuai.

Kesan ini dapat dilihat apabila magnet menarik kuku besi lembut dan ini seterusnya bertindak seperti magnet yang menarik kuku lain.

Domain magnet bukan sempadan statik yang terbentuk di dalam bahan. Ukurannya dapat diubah dengan menyejukkan atau memanaskan bahan, dan juga menundukkannya pada tindakan medan magnet luaran.

Walau bagaimanapun, pertumbuhan domain tidak terhad. Pada saat di mana tidak lagi mungkin untuk menyelaraskannya, dikatakan bahawa titik tepu bahan telah tercapai. Kesan ini ditunjukkan dalam lengkung histeresis di bawah.

Pemanasan bahan menyebabkan kehilangan penjajaran momen magnetik. Suhu di mana magnetisasi hilang sepenuhnya berbeza-beza bergantung pada jenis bahan, untuk magnet bar biasanya hilang pada suhu sekitar 770ºC.

Setelah magnet dikeluarkan, magnetisasi kuku hilang kerana pergolakan terma yang ada setiap masa. Tetapi ada sebatian lain yang mempunyai magnetisasi kekal, kerana mereka mempunyai domain yang diselaraskan secara spontan.

Domain magnet dapat diperhatikan apabila kawasan rata dari bahan feromagnetik bukan magnet, seperti besi lembut, dipotong dan digosok dengan baik. Setelah ini selesai, ditaburkan dengan serbuk atau besi halus.

Di bawah mikroskop diperhatikan bahawa kerepek dikelompokkan pada kawasan pembentuk mineral dengan orientasi yang ditentukan dengan baik, mengikuti domain magnet bahan.

Perbezaan tingkah laku antara bahan magnet yang berbeza disebabkan oleh cara domain berperilaku di dalamnya.

Histeresis magnetik

Histeresis magnetik adalah ciri yang hanya dimiliki oleh bahan dengan kebolehtelapan magnetik tinggi. Ia tidak terdapat dalam bahan paramagnetik atau diamagnetik.

Ini mewakili pengaruh medan magnet luaran yang diterapkan, yang dilambangkan sebagai H, pada induksi magnet B dari feromagnetik logam selama satu siklus magnetisasi dan demagnetisasi. Grafik yang ditunjukkan disebut keluk histeresis.

Kitaran histeresis feromagnetik

Pada awalnya pada titik O tidak ada bidang gunaan H atau magnet balas B , tetapi sebagai keamatan H kenaikan , induksi B kenaikan berperingkat sehingga mencapai ketepuan magnitud B _s di titik A, yang dijangka.

Sekarang intensiti H menurun secara progresif hingga menjadi 0, dengan itu kita mencapai titik C, namun tindak balas magnetik bahan tidak hilang, mengekalkan daya magnet yang tersisa ditunjukkan oleh nilai B _r . Ini bermaksud bahawa prosesnya tidak boleh diterbalikkan.

Dari situ intensiti H meningkat tetapi dengan kekutuban terbalik (tanda negatif), sehingga magnetisasi sisa dibatalkan pada titik D. Nilai H yang diperlukan dilambangkan sebagai H _c dan disebut medan paksaan .

Magnitud H meningkat sehingga mencapai nilai tepu pada E sekali lagi dan dengan segera intensiti H berkurang sehingga mencapai 0, tetapi masih ada magnetisasi sisa dengan kekutuban yang bertentangan dengan yang dijelaskan sebelumnya, pada titik F.

Sekarang kekutuban H dibalikkan lagi dan magnitudnya meningkat sehingga tindak balas magnetik bahan pada titik G dibatalkan.Mengikuti jalur GA ketepuannya diperolehi lagi. Tetapi yang menariknya ialah anda tidak sampai ke sana dengan jalan asal yang ditunjukkan oleh anak panah merah.

Bahan keras dan lembut secara magnetik: aplikasi

Besi lembut lebih mudah dimagnetkan daripada keluli, dan mengetuk bahan lebih memudahkan penjajaran domain.

Apabila bahan mudah dimagnetkan dan didemagnetkan ia dikatakan lembut secara magnetis , dan tentu saja jika berlaku sebaliknya, ia adalah bahan yang sukar untuk magnet . Pada yang terakhir, domain magnetnya kecil, sementara yang pertama adalah domain yang besar, sehingga dapat dilihat melalui mikroskop, seperti yang diperincikan di atas.

Kawasan yang diliputi oleh kurva histeresis adalah ukuran tenaga yang diperlukan untuk melakukan magnet - demagnetisasi bahan. Rajah menunjukkan dua lengkung histeresis untuk dua bahan yang berbeza. Yang di sebelah kiri lembut secara magnetis, sementara yang di sebelah kanan keras.

Bahan feromagnetik lembut mempunyai medan paksaan kecil H _c dan lengkung histeresis sempit yang tinggi. Ia adalah bahan yang sesuai untuk diletakkan di dalam teras pengubah elektrik. Contohnya ialah besi lembut dan besi silikon dan aloi besi-nikel, berguna untuk peralatan komunikasi.

Sebaliknya, bahan keras magnet sukar dinyah magnetkan setelah dimagnetkan, seperti halnya aloi alnico (aluminium-nikel-kobalt) dan aloi nadir bumi yang dengannya magnet kekal dibuat.

Rujukan

1. Eisberg, R. 1978. Fizik Kuantum. Limusa. 557 -577.
2. Muda, Hugh. 2016. Fizik Universiti Sears-Zemansky dengan Fizik Moden. Ed. 14 Pearson. 943.
3. Zapata, F. (2003). Kajian mineralogi yang berkaitan dengan telaga minyak Guafita 8x milik ladang Guafita (Apure State) menggunakan pengukuran Kerentanan Magnetik dan Spektroskopi Mossbauer. Tesis Ijazah. Universiti Pusat Venezuela.