Przykładowe zagadnienia

1. Jak obecność materiału może wpływać na wartość indukcji pola magnetycznego?

Zachowanie materiału w polu magnetycznym znajduje zachowanie w wielu materiałach funkcjonalnych. W materiale znajdującym się w polu magnetycznym indukowane jest wewnętrzne pole magnetyczne mierzone wielkością indukcji magnetycznej B.

B = μ₀H + M = μ₀H + χ_m μ₀H = μ₀H( 1+ χ_m)

Gdzie:

μ_r – przenikalność magnetyczna materiału

μ₀ – przenikalność magnetyczna próżni

H –natężenie pola magnetycznego

B –indukcja magnetyczna

M –namagnesowanie

χ_m– podatność magnetyczna materiału

W materiałach anizotropowych i bezstratnych, czyli niewykazujących pętli histerezy, wektory natężenia pola magnetycznego i indukcji magnetycznej mają ten sam zwrot i kierunek. W materiałach nieliniowych wykazujących pętlę histerezy (np. ferromagnetykach) wektor indukcji może mieć inny kierunek lub zwrot ze względu na energię anizotropii, indukowane prądy wirowe itp.

2. Co to jest paramagnetyk?

Paramagnetyk to ciało, którego właściwości magnetyczne zdominowane są przez zjawisko paramagnetyzmu. W materiałach paramagnetycznych, gdy nie ma zewnętrznego pola magnetycznego, atomy mają różny od zera moment magnetyczny. Na skutek ruchów termicznych cząstek ich momenty magnetyczne są zorientowane w sposób nieuporządkowany. Gdy paramagnetyk zostanie umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym, momenty magnetyczne atomów (cząsteczek) dążą do ustawienia się równolegle do kierunku pola, czemu przeciwdziała ruch cieplny. Mimo ruchów cieplnych w stanie równowagi będzie znajdować się przeważająca część elementarnych magnesów, których momenty magnetyczne będą skierowane zgodnie z kierunkiem pola magnetycznego. Ciało uzyska wypadkowy moment magnetyczny. Paramagnetyki w zewnętrznym polu magnetycznym magnesują się silniej niż diamagnetyki, dlatego też efekt diamagnetyczny jest niezauważalny w paramagnetykach. Własności magnetyczne paramagnetyków zależą od temperatury.

3. Jak powstają momenty magnetyczne w ciele stałym?

Mikroskopowy moment magnetyczny jest związany z ruchem orbitalnym naładowanej cząstki (co można interpretować jak prąd płynący w przewodzącej pętli) lub ze spinem, przy czym należy pamiętać, że moment magnetyczny to nie to samo co spin, choć jest z nim nierozerwalnie związany.

1. Momenty magnetyczne orbitalne - krążące po orbitach (model) elektrony wywołują momenty magnetyczne:

m_m=(-e/2m_e)I

I – moment pędu elektronu.

Moment magnetyczny orbitalny jest skwantowany:

M_m= -m_bL

m_b=(h/2π)(e/2m_e) – magneton Bohra = 9,27 x 10^-24 J/T

2. Momenty magnetyczne spinowe – spin elektronu (modelowo obrót wokół osi) wynosi:

m_sp= -2m_bS

S – wypadkowy moment spinowy pędu elektronu.

Efektywny (nieskompensowany) spinowy moment magnetyczny :

m_{e, sp}= -2 m_b(S(S=1))^1/2

Nieskompensowane wypadkowe momenty magnetyczne występują w materiałach w których orbitale uczestniczące w wiązaniach nie są w pełni obsadzone czyli dla pierwiastków i kationów metali grup przejściowych i ziem rzadkich. Nieskompensowane momenty magnetyczne zależą od momentów spinowych.

4. Rodzaje i budowa ferrytów.

Ferryty to niemetaliczne materiały ceramiczne o właściwościach ferromagnetycznych. Przykłady: SrFe₁₂O₁₉ i BaFe₁₂O₁₉ (magnesy trwałe), Ni_xZn_yFe₂O₄ (głowice do zapisu magnetycznego), Mn_xZn_yFe₂O₄ (rdzenie anten ferrytowych). Struktura: Ferryty są polikryształami ceramicznymi otrzymywanymi droga spiekania z proszków. Materiały tlenkowe zawierające jony Fe+3 posiadające właściwości ferrimagnetyków. Typy struktur: spinelu, granatu, magnetoplumbitu. Struktura spinelu zbudowana jest z gęsto upakowanych anionów tlenu. Kationy znajdują się w lukach tetraedrycznych (A) lub oktaedrycznych (B). Kationy znajdujące się w różnych lukach oddziaływują ze sobą poprzez jony tlenu tzw. A-O-B wymiana kwantowo-mechaniczna. Spinele – ferryty miękkie, granaty i magnetoplumbity – ferryty twarde.

5. Mechanizmy oddziaływania momentów magnetycznych w spinelach.

Kationy znajdujące się w różnych lukach oddziaływują ze sobą poprzez jony tlenu tzw. A-O-B wymiana kwantowo-mechaniczna. Spiny tych samych kationów (Fe+3) się znoszą natomiast Mn+2pozostają niesparowane.

6. Histereza właściwości magnetycznych ferrytów. Od jakich czynników zależy kształt pętli histerezy?

H - natężenie pola magnetycznego, M - polaryzacja magnetyczna (namagnesowanie), B - indukcja magnetyczna, M_r - pozostałość magnetyczna, B_r - indukcja magnetyczna szczątkowa, _MH_C - koercja polaryzacji, _BH_C - koercja indukcji magnetycznej, μ₀ - przenikalność magnetyczna. W materiałach magnetycznie twardych (czyli w magnesach trwałych) parametrem najważniejszym jest ilość zgromadzonej energii magnetycznej, toteż dąży się do osiągnięcia maksymalnej szerokość pętli histerezy.