Snov v magnetnem polju

V gradivu Gostota magnetnega polja smo se naučili računati gostoto magnetnega polja znotraj dolge in ozke tuljave, po kateri teče tok. Predpostavili smo, da je tuljava zračna.

Kaj pa, če vstavimo v tuljavo neko snov? Kakšna je potem gostota magnetnega polja?

V gradivu Električna poljska jakost smo videli, da snov v električnem polju vedno zmanjša električno poljsko jakost. Če pa damo snov v magnetno polje, se lahko gostota magnetnega polja oslabi ali ojača.

Za zrak ali brezzračni prostor velja zveza med gostoto in jakostno magnetnega polja:

Če v magnetno polje vstavimo snov, se v njej gostota magnetnega polja oslabi ali ojača. Upoštevati moramo tudi magnetno lastnost te snovi, ki ji pravimo relativna permeabilnost. V gornjo zvezo za jakost magnetnega polja v snovi dodamo še faktor relativne permeabilnosti :

kjer je:

Glede na velikost delimo snovi na:

Faktor relativne permeabilnosti nima enote in pove:

V vakuumu je relativna permeabilnost enaka 1. Po zgornjih vrednostih vidimo, da diamagnetne snovi malo oslabijo gostoto magnetnega polja. Paramagnetne snovi malo ojačajo gostoto magnetnega polja. Feromagnetne snovi pa jo močno ojačijo.

V tem gradivu se bomo osredotočili na feromagnetne snovi.

Če pogledamo rezino feromagnetnega materiala pod mikroskopom, opazimo posamezna področja, zrna. Pravimo jim Weissova območja ali domene. Značilnost teh domen je, da ima vsaka domena svoje magnetno polje, le da so različno usmerjena in se na zunaj izničijo - spodnja slika levo.

Pod vplivom zunanjega magnetne polja, pa se polja Weissovih domen usmerijo tako, da ojačajo zunanje magnetno polje - slika desno. Skupna gostota magnetnega polja se poveča.

Vzemimo ravno zračno tuljavo:

Narišimo odvisnost gostote magnetnega polja od magnetne poljske jakosti znotraj tuljave. Dobimo jo tako, da H množimo z indukcijsko konstanto - modra črta na spodnji sliki.

Sedaj pa v sredino tuljave vstavimo feromagnetna jedro - rdeča krivulja na zgornji sliki. Z večanjem toka skozi tuljavo večamo tudi magnetno poljsko jakost znotraj tuljave. Elementarni magneti Weissovih domen v jedru se pričnejo usmerjati in s svojim magnetnim poljem dodatno krepiti zunanje magnetno polje. Gostota magnetnega polja B strmo narašča - levi, strmi del rdeče krivulje.

To se dogaja vse dokler se vsi elementarni magneti v Weissovih domenah ne usmerijo v smer zunanjega magnetnega polja - desni, položnejši del rdeče krivulje. Zdaj je prispevek elementarnih magnetov stalen. Pravimo, da je feromagnetno jedro v zasičenju.

Relativna permeabilnost torej pove, kolikokrat se ojača magnetno polje pri usmerjanju Weissovih domen. Relativna permeabilnost ni konstantna, pač pa je odvisna od jakosti magnetnega polja H. Zato jo v večini primerov ne moremo podati kot številsko vrednost, pač pa jo odčitamo iz magnetilne krivulje izbranega feromagnetnega materiala.

Skupno permeabilnost, ki upošteva tako influenčno konstanto kot zrak označimo z :

Velja omeniti, da feromagnetni material zgubi relativno permeabilnost (pade na ena), če snov dovolj segrejemo. Temperatura, ko se to zgodi, se imenuje Curiejeva temperatura. Curiejeve temperature za tri najbolj pogoste snovi so v spodnji tabeli:

Zgornji graf se nanaša na prvo magnetenje fermognetnega jedra. Če nato nižamo magnetno poljsko jakost, gostota magnetnega polja ne sledi več prvemu magnetenju. Elementarni magneti v Waissovih domenah več ali manj ostajajo še vedno usmerjeni tako, da krepijo zunanje magnetno polje. Zgodi se, da ostane jedro namagneteno, čeprav je jakost magnetnega polja padla na nič. Temu pravimo remanentni ali preostali magnetizem, na spodnji sliki je označen z . Izničimo ga lahko tako, da obrnemo smer toka in s tem zunanjega magnetnega polja do vrednosti . To je koercitivna magnetna poljska jakost.

Podobno, le v desno zamaknjeno krivuljo dobimo, če se magnetna poljska jakost ponovno veča - glej desno krivuljo na spodnjih dveh slikah.

Krivulja, ki smo jo dobili, se imenuje histereza ali histerezna zanka. Na sliki levo je histereza široka z velikim preostalim magnetizmom. Material, ki ima takšno histerezo, lahko uporabljamo za snemanje zvoka ali podatkov na disk. Ta material si "zapomni", da je bil namagneten in ostane namagneten. Imenuje se trdi feromagnetni material.

Na sliki desni je histereza ozka. Dobimo jo pri izbiri mehkega feromagnetnega materiala. Uporablja se npr. za jedra transformatorjev, elektromotorjev, elektromagnetov za dvigovanje bremen itd. Tu si želimo, da je histereza zelo ozka, idealno naj bi bila ena sama krivulja.