Magnetiline küllastus
Mida mõistetakse magnetilise küllastuse all?
Kui ferromagnetilist keha magnetiseeritakse, kasvavad magnetilised jõud alguses võrdeliselt magnetiseeriva välja tugevusega. Mingil hetkel saavutatakse aga küllastus ja magnetilised jõud peaaegu enam ei kasva. Seda nähtust nimetatakse magnetiliseks küllastuseks ning see on püsimagnetite piiratud tugevuse põhjus. Magnetilise küllastuse tõttu ei saa olla suvaliselt tugevaid magneteid.Sisukord
Füüsikaline selgitus
Küllastusmagnetiseeritus on materjali maksimaalselt võimalik magnetiseeritus. Seda nähtust nimetatakse magnetiliseks küllastuseks. Kui proovida magnetiseeritust veelgi suurendada, käitub materjal välise magnetvälja edasisel suurendamisel nagu tühi ruum (vaakum). Nii nagu magnetiseeritust ennast, saab ka magnetilist küllastust eriti hästi jälgida ferromagnetilistes ainetes.Kui ferromagnet asetatakse välisesse magnetvälja H, suureneb magnetiline vootihedus B väga tugevalt. See tuleneb sellest, et magnetväli suunab ferromagneti aines olevad elektronispinnid joonduma ning nende magnetilised momendid ehk materjalis leiduvad elementaarsed magnetid paigutuvad paralleelselt. Seda protsessi nimetatakse ka magnetiliseks polarisatsiooniks. Nii tugevneb väline väli, mille tulemusel kasvavad märgatavalt magnetiline vootihedus ja magnetväli ferromagneti välisküljel.
Mingil hetkel on aga kõik olemasolevad spinnid paralleelselt joondunud.
Sel juhul ei ole välise magnetvälja edasisel suurendamisel enam võimalik selle täiendav tugevnemine. Vootihedus käitub siis välise magnetvälja edasisel suurendamisel nagu vaakumis.
Katse magnetilise küllastuse uurimiseks
Katses saab jälgida magnetilist küllastust. Selleks on vaja rauasüdamikuga pooli, reguleeritavat toiteallikat ja magnetvootiheduse mõõteseadet, nt Hall-andur. Katses mõõdetakse seejärel magnetvootihedust rauasüdamiku pinnal sõltuvalt rakendatud voolust. Kui suurendada voolu rauasüdamikuga poolis, kasvab magnetvootihedus algul märgatavalt. Voolu kahekordistamisel kahekordistub ligikaudselt ka vootihedus. Teatud punktist alates ilmneb aga küllastusefekt ja magnetvootihedus suureneb edaspidi vaid väga aeglaselt. Siis on rauamaterjali magnetiline küllastus saavutatud. Raua puhul juhtub see juba vootiheduse väärtusel 1–2 teslat.
Kujutis näitab magnetvootiheduse B kulgu ferromagnetilise materjali magnetiseerimisel poolis.
Ilma vooluta I (I = 0), s.t.
ilma pingeta U (U = 0), on elektroni spinnid (punaselt sisse joonistatud) paralleelselt joondunud vaid Weissi piirkondades.
Kokkuvõttes magnetiseeritus kompenseerub ja on välisruumis null (vasakpoolses pildis).
Voolu I1
rakendamisel (pinge U suurendamisel väärtuseni U1) kasvab magnetvootihedus B tugevalt (väärtuseni B1), sest erinevad Weissi piirkonnad sulanduvad ning üha rohkem aatomspinne joondub paralleelselt.
Kui poolivoolu I seejärel veelgi suurendada väärtuseni I2,
mis võib olla tunduvalt suurem kui I1,
siis täheldatakse, et magnetvootihedus ja seega ka magnetjõud suurenevad edaspidi vaid nõrgalt (väärtuseni B2,
mis on vaid pisut suurem kui B1).
Seejärel on kõik spinnid paralleelselt joondunud ja voolu edasine suurendamine toob kaasa üksnes magnetjõudude nõrga kasvu.
Mis toimub saturatsioonimagnetiseerituse piirkonnas?
Saturatsioonimagnetiseerituse piirkonnas langeb ferromagneti magnetiline läbitavus μ järsult ja läheneb väärtusele μ=1. Sellega langeb ka ferromagneti magnetiline juhtivus vaakumi väärtuseni.Seda võib ette kujutada nii, et aatomsete spinnide joondumise tõttu on magnetväljade jaoks suurem „juhtivus“. Ferromagneti kaudu „mahutub“ oluliselt rohkem magnetilisi jõujooni kui läbi vaakumi. Kui aga väli muutub nii tugevaks, et see suurenenud juhtivus on maksimaalselt ära kasutatud, siis ei „mahugi“ ferromagneti kaudu magnetvälja edasisel suurendamisel rohkem jõujooni kui läbi vaakumi. See juhtub täpselt siis, kui saavutatakse saturatsioonimagnetiseeritus.
Kui ferromagnetset ainet allutatakse saturatsioonimagnetiseeritusele, on maksimaalne hulk aatomseid spinne paralleelselt joondunud. Magnetiseeritus enam ei kasva. Sel juhul jääb ka kõrgeim võimalik magnetiseeritus alles siis, kui väline väli (ilma selle polaarsust muutmata) uuesti välja lülitatakse. Seda järelejäänud magnetiseeritust nimetatakse remanentsiks.
Joonisel on kujutatud magnetiliselt kõva materjali hüstereesikõverat, mida kasutatakse näiteks trafodes.
Punkt BS
tähistab küllastusmagnetiseeritust.
Siin kasvab magnetiline vootihedus B välise magnetvälja H edasisel suurendamisel vaid nõrgalt (mustas sirges oleva tõusu väärtus on µ0,
sest µ=1).
Väiksemate magnetväljade korral suureneb magnetiseeritus teguriga µ tugevamalt (punane sirge).
Raua puhul võib µ väärtus olla mitu tuhat.
Küllastusmagnetiseerituse punktil on µ=1.
Punkt BR
tähistab remanentsi, mis jääb alles siis, kui väline väli pärast magnetilist küllastamist uuesti välja lülitatakse.
Küllastusmagnetiseerituse tagajärjed tehnilistes rakendustes
Küllastusmagnetiseeritus põhjustab selle, et ferromagnetilise materjali kaudu ei saa magnetvälja enam edasi tugevdada.See toob paljudes tehnilistes rakendustes kaasa puudusi. Trafo on näiteks vastastikku paiknevate ja erineva pöörete arvuga poolide paar. Poolidel on rauasüdamik, mille tõttu muundub poolis elektrienergia väga suure tõhususega tugeva magnetvälja magnetiliseks energiaks. See magnetväli indutseerib omakorda vastaspoolis voolu, mille pinge ja voolu väärtusi saab määrata selle pooli omadustega, kuid mille koguvõimsus on sarnane.
Kui rauasüdamikul on suur magnetiline läbitavus μ, on see meetod elektripinge muundamiseks väga tõhus. Siis kaob vähe võimsust. Trafo võib näiteks vähendada seinapistiku pinget 220 V-lt 12 V-ni ilma suure kaota, sest primaarvooluringi vool on vastavalt madal. Küllastusmagnetiseerituse piirkonnas väheneb nüüd elektrienergia muundamise tõhusus magnetenergiaks ja sellega koos trafo kasutegur. Seetõttu on küllastusmagnetiseeritus trafodes ebasoovitav.
Õhupilu hoiab ära enneaegse magnetilise küllastumise
Õhupilu, mis lõigatakse rauasüdamikku, võimaldab saavutada, et magnetvootiheduse kasv toimub aeglasemalt ja magnetiline küllastumine saabub hiljem. Õhupilul on oluliselt suurem magnetiline takistus kui rauasüdamikul. Seega pidurdab see ferromagnetilise materjali magnetiseerumist. Kokkuvõttes suureneb trafosüdamiku magnetiseeritus seetõttu aeglasemalt kui ilma õhupiluta. Küll aga on magnetiseeritus seevastu laias vahemikus võrdeline välise väljaga.Seetõttu on magnetväljade tehnikas õhupilul tõepoolest tehniline tähendus.
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Kogu kompendiumi sisu (tekstid, fotod, illustratsioonid jms) autoriõigus kuulub autorile Franz-Josef Schmittile. Teose ainuõigused kuuluvad Webcraft GmbH-le (kui supermagnete.ee haldajale). Ilma Webcraft GmbH-i selgesõnalise loata ei tohi sisu kopeerida ega muul viisil kasutada.
© 2008–2026 Webcraft GmbH
© 2008–2026 Webcraft GmbH
