Eigenschaften ferromagnetischer Werkstoffe und ihre Anwendung in der Technik

Um einen Draht herum gibt es elektrischen Strom, auch im Vakuum Magnetfeld… Und wenn eine Substanz in dieses Feld eingeführt wird, ändert sich das Magnetfeld, da jede Substanz in einem Magnetfeld magnetisiert wird, das heißt, sie erhält ein größeres oder kleineres magnetisches Moment, definiert als die Summe der damit verbundenen elementaren magnetischen Momente Teile, aus denen diese Substanz besteht.

Der Kern des Phänomens liegt darin, dass die Moleküle vieler Stoffe über eigene magnetische Momente verfügen, da sich im Inneren der Moleküle Ladungen bewegen, die elementare Kreisströme bilden und daher von Magnetfeldern begleitet werden. Wenn kein äußeres Magnetfeld an die Substanz angelegt wird, sind die magnetischen Momente ihrer Moleküle zufällig im Raum ausgerichtet und das gesamte Magnetfeld (sowie das gesamte magnetische Moment der Moleküle) einer solchen Probe ist Null.

Wird die Probe in ein äußeres Magnetfeld gebracht, so nimmt die Ausrichtung der elementaren magnetischen Momente ihrer Moleküle unter dem Einfluss des äußeren Feldes eine Vorzugsrichtung an. Dadurch wird das gesamte magnetische Moment des Stoffes nicht mehr Null sein, da sich die Magnetfelder einzelner Moleküle unter neuen Bedingungen nicht gegenseitig kompensieren. Dadurch entwickelt der Stoff ein Magnetfeld B.

Wenn die Moleküle eines Stoffes zunächst keine magnetischen Momente haben (es gibt solche Stoffe), dann werden beim Einbringen einer solchen Probe in ein Magnetfeld darin Kreisströme induziert, das heißt, die Moleküle erwerben magnetische Momente, die wiederum Infolgedessen kommt es zum Auftreten eines Gesamtmagnetfeldes B.

Die meisten der bekannten Stoffe werden in einem Magnetfeld schwach magnetisiert, es gibt aber auch Stoffe, die sich durch starke magnetische Eigenschaften auszeichnen, so genannte Ferromagnete… Beispiele für Ferromagnete: Eisen, Kobalt, Nickel und deren Legierungen.

Zu den Ferromagneten zählen Festkörper, die bei niedrigen Temperaturen eine spontane (spontane) Magnetisierung aufweisen, die sich unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes, mechanischer Verformung oder sich ändernder Temperatur deutlich verändert. So verhalten sich Stahl und Eisen, Nickel und Kobalt sowie Legierungen. Ihre magnetische Permeabilität ist tausendmal höher als die von Vakuum.

Aus diesem Grund wird es in der Elektrotechnik traditionell zur Leitung magnetischer Flüsse und zur Energieumwandlung eingesetzt Magnetkerne aus ferromagnetischen Materialien.

In solchen Stoffen hängen die magnetischen Eigenschaften von den magnetischen Eigenschaften der elementaren Träger des Magnetismus ab – Elektronen, die sich innerhalb von Atomen bewegen… Natürlich bilden Elektronen, die sich auf Bahnen in Atomen um ihre Kerne bewegen, kreisförmige Ströme (magnetische Dipole). Aber in diesem Fall drehen sich die Elektronen auch um ihre Achsen und erzeugen so magnetische Spinmomente, die schlicht die Hauptrolle bei der Magnetisierung von Ferromagneten spielen.

Ferromagnetische Eigenschaften zeigen sich nur, wenn sich die Substanz im kristallinen Zustand befindet. Darüber hinaus sind diese Eigenschaften stark temperaturabhängig, da thermische Bewegung die stabile Ausrichtung der elementaren magnetischen Momente verhindert. Für jeden Ferromagneten wird also eine bestimmte Temperatur (Curie-Punkt) bestimmt, bei der die Magnetisierungsstruktur zerstört wird und der Stoff zum Paramagneten wird. Bei Eisen beträgt sie beispielsweise 900 °C.

Selbst in schwachen Magnetfeldern können Ferromagnete bis zur Sättigung magnetisiert werden. Darüber hinaus hängt ihre magnetische Permeabilität von der Stärke des angelegten externen Magnetfelds ab.

Zu Beginn des Magnetisierungsprozesses magnetische Induktion B wird in einem ferromagnetischen Zustand stärker, das heißt magnetische Permeabilität Es ist großartig. Wenn jedoch eine Sättigung auftritt, führt eine weitere Erhöhung der magnetischen Induktion des externen Feldes nicht mehr zu einer Erhöhung des Magnetfelds des Ferromagneten, und daher hat die magnetische Permeabilität der Probe abgenommen, jetzt tendiert sie zu 1.

Eine wichtige Eigenschaft von Ferromagneten ist Rest… Angenommen, ein ferromagnetischer Stab wird in die Spule eingesetzt und durch Erhöhen des Stroms in der Spule wird dieser in die Sättigung gebracht. Dann wurde der Strom in der Spule abgeschaltet, das heißt, das Magnetfeld der Spule wurde entfernt.

Man kann feststellen, dass der Stab nicht in den Zustand entmagnetisiert ist, in dem er sich am Anfang befand, sein Magnetfeld wird größer sein, das heißt, es wird eine Restinduktion vorhanden sein. Der Stab wurde auf diese Weise gedreht an einen Permanentmagneten.

Um einen solchen Stab wieder zu entmagnetisieren, muss an ihn ein äußeres Magnetfeld mit entgegengesetzter Richtung und einer Induktion angelegt werden, die der Restinduktion entspricht. Der Wert des Moduls der magnetischen Feldinduktion, der an einen magnetisierten Ferromagneten (Permanentmagnet) angelegt werden muss, um ihn zu entmagnetisieren, wird genannt Zwangsgewalt.

Das Phänomen, bei dem während der Magnetisierung eines Ferromagneten die Induktion in ihm hinter der Induktion des angelegten Magnetfelds zurückbleibt, wird als bezeichnet magnetische Hysterese (sehen - Was ist Hysterese?).

Magnetisierungskurven (Hystereseschleifen) für verschiedene ferromagnetische Materialien unterscheiden sich voneinander.

Einige Materialien haben breite Hystereseschleifen – das sind Materialien mit hoher Restmagnetisierung, sie werden magnetisch harte Materialien genannt. Bei der Herstellung von Permanentmagneten werden hartmagnetische Materialien verwendet.

Im Gegensatz dazu haben weichmagnetische Materialien eine schmale Hystereseschleife, eine geringe Restmagnetisierung und lassen sich in schwachen Feldern leicht magnetisieren. Hierbei handelt es sich um weichmagnetische Materialien, die als Magnetkerne von Transformatoren, Motorstatoren usw. verwendet werden.

Ferromagnete spielen heute in der Technik eine sehr wichtige Rolle. Weichmagnetische Werkstoffe (Ferrite, Elektroband) werden in Elektromotoren und Generatoren, in Transformatoren und Drosseln sowie in der Funktechnik eingesetzt. Ferrite bestehen aus Induktorkerne.

Zur Herstellung von Permanentmagneten werden hartmagnetische Materialien (Ferrite aus Barium, Kobalt, Strontium, Neodym-Eisen-Bor) verwendet. Permanentmagnete werden häufig in elektrischen und akustischen Instrumenten, in Motoren und Generatoren, in Magnetkompassen usw. verwendet.