34.2 Ulkoisen magneettikentän vaikutus ferromagneettiseen aineeseen



Samankaltaiset tiedostot
RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Induktanssi ja magneettipiirit Sähkötekniikka/MV

1.1 Magneettinen vuorovaikutus

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

FERROMAGNEETTISET MATERIAALIT

Kuva 8.1 Suoran virrallisen johtimen magneettikenttä (A on tarkastelupiste). /1/

33 SOLENOIDIN JA TOROIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

Magneettikenttä väliaineessa

Magneettikenttä väliaineessa

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

Aineen magneettinen luonne mpötilan vaikutus magnetoitumaan

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

a P en.pdf KOKEET;

ELEKTROMAGNEETTISET VOIMAT SAMANSUUNTAISISSA VIRTA- JOHDOISSA

tyhjönkaltaisessa väliaineessa. Aineen mikroskooppinen rakenne aiheuttaa todellisuudessa kullekin atomille ominaisen magneettisen dipolimomentin

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 MAGNEETTIKENTTÄTYÖ

Magnetoituvat materiaalit

766320A SOVELTAVA SÄHKÖMAGNETIIKKA PERUSTEHTÄVIÄ RATKAISUINEEN

Kuva 1: Vaihtovirtapiiri, jossa on sarjaan kytkettynä resistanssi, kapasitanssi ja induktanssi

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Jouko Esko n85748 Juho Jaakkola n Dynaaminen Kenttäteoria GENERAATTORI.

Näytä tai jätä tarkistettavaksi tämän jakson tehtävät viimeistään tiistaina

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Kiinteiden materiaalien magneettiset ominaisuudet

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

Harjoitustyö, joka on jätetty tarkastettavaksi Vaasassa

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Sähköstatiikka ja magnetismi

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Suora. Määritelmä. Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Avaruuden R n suora on joukko. { p + t v t R},

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

tyhjiönkaltaisessa väliaineessa. Aineen mikroskooppinen rakenne aiheuttaa todellisuudessa kullekin atomille ominaisen magneettisen dipolimomentin

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

SATE1120 Staattinen kenttäteoria kevät / 5 Laskuharjoitus 14: Indusoitunut sähkömotorinen voima ja kertausta magneettikentistä

Tarkastellaan yksinkertaista virtasilmukkaa, jossa kulkee virta I ja jonka V + E = IR (8.1)

x + 1 πx + 2y = 6 2y = 6 x 1 2 πx y = x 1 4 πx Ikkunan pinta-ala on suorakulmion ja puoliympyrän pinta-alojen summa, eli

Potentiaali ja sähkökenttä: pistevaraus. kun asetetaan V( ) = 0

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

5 Magneettiset materiaalit

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Magneettikenttä väliaineessa

Tarkastellaan yksinkertaista virtasilmukkaa, jossa kulkee virta I ja jonka vastus on R. Liitetään virtapiiriin jännitelähde V.

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Virrankuljettajat liikkuvat magneettikentässä ja sähkökentässä suoraan, kun F = F eli qv B = qe. Nyt levyn reunojen välinen jännite

Magneettikenttä ja sähkökenttä

SMG-1100: PIIRIANALYYSI I

TASASUUNTAUS JA PUOLIJOHTEET

Magneettinen energia

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

DEE Sähkötekniikan perusteet

Pinta-alojen ja tilavuuksien laskeminen 1/6 Sisältö ESITIEDOT: määrätty integraali

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

7. Resistanssi ja Ohmin laki

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Sähköiset ja magneettiset materiaalit

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

on myös magneettikentän laita, sillä Faradayn lain mukaan magneettikentän muuttaminen aiheuttaa muutosta vastustavan voiman ja siten magneettikentän

4757 4h. MAGNEETTIKENTÄT

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

FYSP1082 / K4 HELMHOLTZIN KELAT

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Johdanto. 1 Teoriaa. 1.1 Sähkönjohtimen aiheuttama magneettikenttä

8a. Kestomagneetti, magneettikenttä

4. Gaussin laki. (15.4)

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

4. SÄHKÖMAGNEETTINEN INDUKTIO

SÄHKÖSTATIIKKA JA MAGNETISMI. NTIETS12 Tasasähköpiirit Jussi Hurri syksy 2013

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

Muodonmuutostila hum

- Kahden suoran johtimen välinen magneettinen vuorovaikutus I 1 I 2 I 1 I 2. F= l (Ampèren laki, MAOL s. 124(119) Ampeerin määritelmä (MAOL s.

Jakso 1: Pyörimisliikkeen kinematiikkaa, hitausmomentti

Avaruusgeometrian perusteita

KESTOMAGNEETTI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Jani Vitikka p87434 Hannu Tiitinen p Dynaaminen kenttäteoria SATE2010

FYSIIKKA (FY91): 9. KURSSI: Kertauskurssi KOE VASTAA KUUTEEN (6) TEHTÄVÄÄN!!

Tasokehät. Kuva. Sauvojen alapuolet merkittyinä.

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

Sähköstatiikka ja magnetismi Sähkömagneetinen induktio

Luku Ohmin laki

PIENTAAJUISET SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄT HARJOITUSTEHTÄVÄ 1. Pallomaisen solun relaksaatiotaajuus 1 + 1

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

Kondensaattori ja vastus piirissä (RC-piiri)

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 10: Napa-, sylinteri- ja pallokoordinaatistot. Pintaintegraali.

Viikon aiheet. Funktion lineaarinen approksimointi

x 5 15 x 25 10x 40 11x x y 36 y sijoitus jompaankumpaan yhtälöön : b)

RATKAISUT: 21. Induktio

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 10: Stokesin lause

Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio

BM20A5800 Funktiot, lineaarialgebra ja vektorit Harjoitus 4, Syksy 2016

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

Transkriptio:

34 FERROMAGNETISMI 34.1 Johdanto Jaksollisen järjestelmän transitiometalleilla on täyden valenssielektronikuoren (s-kuori) alapuolella vajaa d-elektronikuori. Tästä seuraa, että transitiometalliatomeilla on pysyvä nollasta poikkeava magneettinen momentti. Magneettiset momentit voivat vuorovaikuttaa toisaalta ulkoisen magneettikentän kanssa ja toisaalta keskenään. Näiden vuorovaikutusten aiheuttamien ilmiöiden perusteella transitiometallit voidaan jakaa para- ja ferromagneettisiin aineisiin. Kiinteässä olomuodossa ollessaan atomit ovat järjestyneenä kolmiulotteiseksi kidehilaksi. Jokaisella atomilla on oma paikkansa, ja naapuriatomit ovat säännöllisten välimatkojen päässä tietyissä suunnissa. Paramagneettisissa aineissa yksittäisten atomien magneettiset momentit osoittavat satunnaisiin suuntiin huolimatta siitä, että kiderakenne on säännöllinen. Siten paramagneettisen kiteen ulkopuolella ei ole magneettikenttää. Ulkoisen magneettikentän avulla paramagneettisen aineen magneettiset momentit voidaan kääntää samansuuntaisiksi ulkoisen kentän kanssa, joten paramagneettinen aine vahvistaa ulkoista magneettikenttää. Ferromagneettisessa aineessa atomien magneettiset momentit järjestäytyvät spontaanisti toistensa kanssa samansuuntaisiksi. Jos kokonaisen makroskooppisen kiteen magneettiset momentit järjestäytyisivät samansuuntaisiksi, kiteen ulkopuolella olisi voimakas magneettikenttä. Käytännössä magneettisten momenttien väliset vuorovaikutukset aiheuttavat sen, että momentit voivat järjestäytyä samansuuntaisiksi vain pienillä alueilla (engl. domains) kiteessä. Tällaisen alueen reunalla momenttien suunta muuttuu lyhyellä matkalla toiseksi, ja viereisellä alueella momentit ovat jälleen keskenään samansuuntaisia, mutta erisuuntaisia edelliseen alueeseen nähden. Voidaan ajatella, että kiteen ulkopuolella olevan kentän pienentyessä voitetaan energiaa, mutta sitä menetetään, kun kiteeseen syntyy eri suuntiin magnetoituneiden alueiden rajapintoja. Energiaminimi saavutetaan, kun magneettiset alueet ovat halkaisijaltaan 10 µm:n suuruusluokkaa. Transitiometalleista ferromagneettisia ovat Fe, Co, Ni ja Gd. Sekä para- että ferromagneettisissa aineissa kidehilan säännöllisestä rakenteesta seuraa, että magnetoituminen tapahtuu helpoimmin tiettyyn suuntaan, ns. helpon magnetoitumisen suuntaan. 34.2 Ulkoisen magneettikentän vaikutus ferromagneettiseen aineeseen Tarkastellaan ideaalista pientä erilliskidettä (kidettä, jossa hilan periodinen rakenne on kaikkialla sama), jossa on useita eri suuntiin magnetoituneita alueita (kuva 1a). Jos kiteeseen alkaa vaikuttaa magneettikenttä helpon magnetoitumisen suunnassa (pitkät nuolet), magneettiset momentit alkavat kääntyä ulkoisen kentän suuntaan. Kuvissa 1b ja 1c helpon magnetoitumisen suuntaisen alueen koko aluksi kasvaa, ja ulkoisen kentän voimistuessa myös muihin suuntiin magnetoituneet alueet alkavat kääntyä ulkoisen kentän suuntaisiksi. Jos ulkoinen kenttä ei vaikuta helpon magnetoitumisen suunnassa, magneettiset momentit asettuvat aluksi ulkoisen kentän suuntaa lähinnä olevaan helpon magnetoitumisen suuntaan ja vasta sitten ulkoisen kentän suuntaan.

Kuva 1: Ferromagneettisen aineen magnetoituminen ulkoisessa magneettikentässä Ideaalisessa erilliskiteessä magnetoituminen on täysin palautuva, ts. kun ulkoinen kenttä poistetaan, kide palautuu alkuperäiseen tilaansa. Todellisuudessa virheettömiä ja puhtaita erilliskiteitä ei ole olemassa. Metallit ovat luonteeltaan mikrokiteisiä, eli pienessäkin metallinpalasessa on suuri joukko pieniä erilliskiteisiä osa-alueita, joissa kidehilat (ja siten myös helpon magnetoitumisen suunnat) ovat satunnaisesti suuntautuneita toisiinsa nähden. Kun magneettisen alueen rajapinta kulkee kahden mikrokiteen rajapinnan (tai muunlaisen kiteessä olevan epäjärjestyneen rakenteen) läpi, magnetoituminen ei välttämättä ole enää palautuva, ja kiteen magnetoitumisen poistamiseen tarvitaan toisensuuntainen ulkoinen magneettikenttä. Tarkastellaan seuraavaksi todellisen ferromagneettisen metallikappaleen magnetoitumista. Merkitään ulkoista magneettikenttää symbolilla H erotukseksi siitä kentästä B, jonka kappaleen magnetoituminen aiheuttaa. Magnetoituma M määritellään yksittäisten atomien magneettisten momenttien m i avulla M = lim v 0 1 m v i, i (1) jossa tilavuusalkio v asetetaan makroskooppisesti pieneksi mutta mikroskooppisesti niin suureksi, että tilavuusalkion sisään mahtuu tilastollisesti merkittävä määrä atomeja. Magnetoituma on siis paikasta riippuva funktio. Paramagneettisilla aineilla magnetoituman M ja magneettikentän B välinen riippuvuus on lineaarinen, B = µm, (2) mutta ferromagneettisilla aineilla magnetoituma on epälineaarinen funktio ulkoisesta kentästä (kuten alla esitetään), ja em. riippuvuus kirjoitetaan yleisesti muotoon B( H)= µ 0 ( H + M( H) ), (3) missä magnetoituman riippuvuus ulkoisesta kentästä on kirjoitettu näkyviin. Huomattavaa on, että kaavassa (2) verrannollisuuskerroin on paramagneettisen aineen permeabiliteetti, kun taas kaavassa (3) kertoimena esiintyy tyhjiön permeabiliteetti. Kuvassa 2 on esitetty ferromagneettisessa aineessa oleva magneettikenttä B ulkoisen kentän H funktiona. Kun ulkoinen kenttä on pieni (käyrän osa a), niiden magneettisten alueiden koko kasvaa, joissa helpon magnetoitumisen suunta yhtyy ulkoisen kentän suuntaan (vrt. kuva 1b).

Tämä muutos on täysin palautuva. Jos ulkoinen kenttä kasvaa riittävän suureksi, magneettisten alueiden rajapinnat kohtaavat hilavirheitä ja mikrokiteiden rajapintoja. Magneettisten alueiden rajapinnoilla on tällaisissa kohdissa paikallinen energiaminimi, joihin ne loukkuuntuvat joksikin aikaa kentän kasvaessa. Kun kenttä edelleen kasvaa, tapahtuu magneettisen rajapinnan hyppäyksenomainen vapautuminen loukusta. Tällöin nopeasti muuttuva magneettikenttä synnyttää kiteessä pyörrevirtoja, joihin kuluu energiaa. Tällöin magnetoituminen ei enää ole palautuva ilmiö (käyrän osa b). Lopuksi lähes kaikki alueet, joissa helpon magnetoitumisen suunta on lähellä ulkoisen kentän suuntaa, ovat magnetoituneet. Käyrän osalla c ulkoisen kentän kasvattaminen pyrkii kääntämään loppujen alueiden magnetoitumisen suuntaa ulkoisen kentän suuntaan (vrt. kuva 1c). Kun metalli on magnetoitunut kyllästysarvoonsa, kenttä kasvaa enää kaavan (3) lineaarisen termin µ 0 H ansiosta. Kuva 2: Metallikappaleessa oleva magneettikenttä B ulkoisen kentän H funktiona, kun ulkoinen kenttä kasvaa nollasta ylöspäin 34.2.1 Hystereesisilmukka Mikäli ulkoinen kenttä ylittää tietyn kynnysarvon, metallikappaleen magnetoituminen ei ole palautuva ilmiö. Kuvassa 3 on esitetty metallikappaleen magnetoituminen B ulkoisen kentän H muuttuessa arvosta H max arvoon -H max ja takaisin. Kuva 3: Hystereesisilmukka Käyrä ei enää ole samanlainen kuin kuvan 2 käyrä, vaan se muodostaa ns. hystereesisilmukan. Kun ulkoinen kenttä palautetaan arvosta H max nollaan, metallikappaleessa on jäännösmagnetismi B r. Jäännösmagnetismin poistamiseksi tarvitaan vastakkaissuuntainen ulkoinen kenttä H c, jota kutsutaan koersiivivoimaksi tai koersiivikentäksi.

Lasketaan seuraavaksi työ, jonka ulkoinen magneettikenttä tekee kappaleessa kuljettaessa hystereesisilmukan ympäri. Tarkastellaan ferromagneettista rengasta, jonka pituus on L ja poikkipinta-ala A. Tätä magnetoidaan N virtasilmukan solenoidilla, jossa kulkee virta I (kuva 4). Kuva 4: Ulkoisen magneettikentän ferromagneettisessa aineessa tekemän työn laskeminen Solenoidin aiheuttama ulkoinen magneettikenttä on (vrt. työ 33) H = NI L. (4) Faraday-Henryn lain mukaan solenoidiin indusoituu virran suuntaa vastaan sähkömotorinen voima eli lähdejännite E = N dφ dt = NA db dt, (5) missä φ on magneettivuo ja B on magneettivuon tiheys. Koska sähkömotorinen voima E vastustaa virran kulkua, virran I ylläpitäminen vaatii syöttötehon P = EI = NA db dt HL N = LAH db dt. (6) Ferromagneettisen aineen tilavuus on V=LA. Energian kulutus aikavälillä dt on dw = Pdt = VHdB. (7) Integroidaan kaava (7) hystereesisilmukan ympäri: W V = HdB. (8) Tästä huomataan, että kaavan (8) oikealla puolella oleva integraali antaa hystereesisilmukan pinta-alan, joka samalla on magneettikentän kappaleessa tekemä työ tilavuusyksikköä kohden kuljettaessa hystereesisilmukan ympäri.

34.3 Mittaukset Harjoitustyössä tutkitaan ferromagneettisen aineen magnetoitumista ulkoisessa kentässä kuvan 5 mukaisella koejärjestelyllä. Kuva 5: Ferromagneettisen sauvan magnetoitumisen mittaaminen Pitkään ja ohueen solenoidiin syötetään virta, jolloin solenoidin sisällä oleva magneettikenttä H saadaan kaavasta (4). Magneettivuon tiheys solenoidin sisällä on µ 0 H, missä µ 0 on tyhjiön permeabiliteetti. Pitkän solenoidin päät toimivat tällöin magneettivuon tiheyden pistelähteinä. Pohjoisnavasta tulee magneettivuo µ 0 HA 0, missä A 0 on solenoidin poikkileikkauksen pinta-ala, ja tämä vuo leviää homogeenisesti joka suuntaan. Etäisyydellä r pistelähteestä pallopinnalla 4pr 2 magneettivuon tiheys on siis B = µ 0HA 0 4πr 2 u r, (9) missä u r on yksikkövektori. Vastaavasti etelänapa toimii magneettivuon tiheyden pistenieluna - µ 0 HA 0. Kaukana solenoidista systeemiä voitaisiin pitää magneettisena dipolina, mutta nyt mittaukset suoritetaan lähikentässä. Kuvassa 5 virran suunta on valittu siten, että solenoidin alapää on magneettivuon lähde, mutta mittauksen kannalta tämä valinta on epäoleellinen. Kuvan mittausgeometriassa on kaavan (9) perusteella magneettivuon tiheyden vaakasuora komponentti sauvan alapään korkeudella etäisyydellä x sauvasta B 0 = µ 0HA 0 4πx 2 µ 0HA 0 4πs 2 cosφ = µ 0HA 0 ( 4πx 2 1 cos 3 φ). (10) missä s on etäisyys tutkittavasta pisteestä sauvan yläpäähän ja φ on niiden suorien välinen kulma, jotka kulkevat tutkittavasta pisteestä sauvan päihin. Kun solenoidiin syötetään ohut ferromagneettinen sauva, magneettikenttä H aikaansaa sauvassa magnetoitumisen M(H). Magneettivuon tiheys sauvan sisässä on tällöin B s =µ 0 (M+H)=µ 0 M+µ 0 H. Sauvan päät toimivat siis magneetivuon tiheyden pistelähteenä µ 0 MA

ja pistenieluna -µ 0 MA, missä A on sauvan poikkileikkauksen pinta-ala. Kaavan (10) mukaisesti sauvan aiheuttama magneettivuon tiheyden vaakakomponentti pisteessä x on B M = µ 0MA 4πx 2 ( 1 cos 3 φ), (11) eli vaakakomponentin kokonaisarvo on B 0 +B M. Koelaitteessa on kuitenkin käämi, jolla voidaan kumota pelkän solenoidin aiheuttama kenttä B 0 pisteessä x. Kun sama virta kulkee sekä solenoidin että kompensointikelan läpi, solenoidin kenttä kumoutuu kaikilla virroilla. Kaavan (11) antama magneettikenttä B M mitataan vertaamalla sitä laboratorion magneettikentän (ideaalitapauksessa Maan magneettikentän) vaakakomponenttiin B L. Laboratorion magneettikentän pystykomponentti kumotaan erillisellä käämillä. Koelaitteessa oleva kompassineula näyttää suuntaan B L, kun virtaa I ei ole kytketty ja ferromagneettinen sauva on poistettu. Laite käännetään siten, että kuvan 5 mukainen x-suunta on kohtisuorassa suuntaa B L vastaan. Kun virta on kytetty, kompassineula osoittaa vaakavektorien B M ja B L resultantin suuntaan, joka poikkeaa suunnasta B L kulman θ: B M = B L tanθ. (12) Kun tähän sijoitetaan B M :n lauseke kaavasta (11), saadaan M = 4πx 2 ( ) B L tanθ. µ 0 A 1 cos 3 φ (13) Vaihtelemalla virran I arvoa saadaan kaavojen (4) ja (13) perusteella funktio M(H). Hystereesisilmukka piirretään muotoon B(H)=µ 0 (M(H)+H). Hystereesikäyrästä määritetään sauvalle jäännösmagnetismi B r, koersiivivoima H c sekä yhden kierroksen aikana tehty työ W.