Magnetyzacja – dlaczego jest tak ważna?

You are currently viewing Magnetyzacja – dlaczego jest tak ważna?

Gdybyś zajrzał do Wikipedii dowiedziałbyś się, że magnetyzacja to dipolowy moment magnetyczny na jednostkę objętości ośrodka magnetycznego. Cóż za piękna definicja! Tobie też ona nic nie mówi? To świetnie! W takim razie zapomnijmy o niej i zobaczmy o co tak naprawdę chodzi w magnetyzacji.

Klasycznie polecam zapoznać się z moimi wcześniejszymi tekstami na temat magnetyzmu. Dzięki nim dowiesz się skąd w ogóle wziął się magnetyzm oraz czym są diamagnetyki, paramagnetyki i ferromagnetyki. Sporo nam to dzisiaj ułatwi. Oto link do pierwszego z artykułów:

Skąd się wziął magnetyzm? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Zaczynamy!

Czym jest magnetyzacja?

Po pierwsze i najważniejsze: magnetyzacja to inaczej namagnesowanie. Przyznasz, że to słowo brzmi już bardziej zjadliwie? A czy zdarzyło Ci się kiedyś namagnesować wkrętak lub jakieś inne żelazne narzędzie? Wystarczy kilka razy przeciągnąć magnesem wzdłuż metalowego elementu i voila! Nasz wkrętak zyskuje magnetyzację, czyli zostaje namagnesowany. W tym wypadku stan ten jest prawie trwały. To znaczy, że jeśli nie będziesz tym wkrętakiem o nic uderzał, ani go nadmiernie podgrzewał, to na pewien czas zachowa on nadaną mu magnetyzację. Rzeczy, które długo pozostają namagnesowane nazywamy magnesami. Do czego można taki magnetyczny wkrętak wykorzystać? Jeśli lubisz majsterkować, to dzięki niemu wszelkie śrubki będą znacznie rzadziej upadały na podłogę i uciekały pod kanapę.

Magnetyczny wkrętak vs. gwoździe

No chyba, że masz do czynienia ze stalą nierdzewną. Wtedy taki ręcznie namagnesowany wkrętak może nie dać jej rady. Wszystko dlatego, że stal nierdzewna jest trochę gorszym magnetykiem od zwykłej stali (czy żelaza). Pisząc gorszy magnetyk mam na myśli to, że znacznie trudniej jest taką stal przyciągnąć magnesem albo zrobić z niej magnes (czyli trwale namagnesować). Jeśli masz w kuchni jakieś nierdzewne naczynia albo sztućce, to możesz eksperymentalnie sprawdzić czy da się z nich zrobić tak samo silny magnes jak z kawałka zwykłej stali.

Nawet nie wiesz kiedy taka wiedza eksperymentalna może Ci się przydać! Kiedy pracowałem w firmie handlującej stalą nierdzewną, wielu klientów przychodziło do nas z magnesami. Dlaczego? Otóż wiedzieli oni, że stal nierdzewna jest znacznie słabiej przyciągana przez magnes niż zwykła stal. Do tego słyszeli opowieści o zalewającej rynek chińskiej stali, której nierdzewna była co najwyżej cienka, zewnętrzna powłoka. Za pomocą magnesów chcieli upewnić się, że nikt ich na pewno nie kantuje.

Jako że nasza stal była nierdzewna nie tylko z nazwy, magnesy co i rusz od niej odpadały, a klienci wychodzili zadowoleni. Raz jednak trafił się jegomość z dużym magnesem neodymowym. Widząc jak jego magnes nie zamierza samoczynnie pożegnać się z, rzekomo, nierdzewnym prętem, klient wpadł w poważne wątpliwości. I choć do transakcji ostatecznie nie doszło, to nikt pana jegomościa nie pragnął wówczas oszukać. Tak jak wspomniałem wcześniej: stal nierdzewna to znacznie słabszy (czy też gorszy) magnetyk od zwykłej stali. Nie oznacza to jednak, że nie da się znaleźć magnesu, który będzie ją w stanie przyciągnąć! Faktem jest, że istnieje co najmniej kilkanaście gatunków stali nierdzewnej, różniących się od siebie przenikalnością magnetyczną, a więc podatnością na magnetyzację. Powiem więcej: nie istnieje coś takiego jak materiał zupełnie niemagnetyczny. To oznacza, że możesz namagnesować tak naprawdę wszystko – drewno, plastik, wodę, a nawet powietrze!

Zanim jednak wybiegniesz na zewnątrz, wymachując w powietrzu magnesem (by je namagnesować), pozwolę sobie nieco ostudzić Twój zapał. Powietrze to przedstawiciel tak zwanych paramagnetyków. Słowo to w wolnym tłumaczeniu oznacza: da się namagnesować, ale efekt jest marny. Podobnie jest z diamagnetykami, których przykładem jest chociażby woda. O obu tych rodzajach materiałów pisałem w poprzednich artykułach, więc nie będę się tutaj powtarzał. Poza nimi istnieją też ferromagnetyki, czyli wszelkiej maści mieszanki żelaza, kobaltu i niklu, które dają się dość łatwo i mocno namagnesować. Właściwie wszystkie narzędzia warsztatowe jakie możesz posiadać należą do tej grupy, gdyż składają się w większości z żelaza. Te droższe są oczywiście nierdzewne (dzięki dodatkom takim jak chrom), co niestety znacznie obniża ich zdolności magnetyczne.

Jeśli zatem chcesz aby Twoje narzędzia były podatne na magnesowanie, bierz te najtańsze – w nich ,,nierdzewna” jest tylko farba, którą łatwo jest zdrapać. A jeśli wszystkie Twoje wkrętaki nie są zbyt chętne do magnetyzacji, to na pewno znajdziesz gdzieś w kącie jakiś żelazny łom. Efektywność magnesowania? Znakomita. Przydatność? Bliska zerowej, ale pomyśl, jak wiele osób może się pochwalić posiadaniem magnetycznego łomu?

My tu sobie żartujemy, a wbrew pozorom magnetyzacja to bardzo poważna sprawa. Jest to bowiem jedno z najważniejszych zjawisk w całej elektrotechnice. Ba, zaryzykuję stwierdzenie, że najważniejsze w historii całej naszej cywilizacji! Bez magnetyzacji nie mielibyśmy prądu w domach, a bez tego trudno wyobrazić sobie gdzie bylibyśmy dzisiaj. Przyznasz chyba, że warto rozumieć na czym polega zjawisko, które napędza cały świat?

Jak działa magnetyzacja?

Oto dwa najważniejsze zastosowania magnetyzacji:

  1. Wytwarzanie magnesów trwałych
  2. Przesyłanie energii elektrycznej

Zastosowania te, na pozór różne, bardzo silnie ze sobą korelują. Wystarczy wspomnieć, że do wytworzenia energii elektrycznej niezbędne są magnesy trwałe, a z drugiej strony nie da się wyprodukować dobrych magnesów trwałych bez energii elektrycznej. Jedno nie istnieje bez drugiego – cóż za synergia! Dodajmy do tego fakt, że w obu przypadkach korzysta się z ferromagnetyków, ale o zupełnie innych właściwościach. Do wytwarzania magnesów używa się bowiem tzw. ferromagnetyków twardych, które z kolei kompletnie nie znajdują zastosowania w przesyle energii, gdzie królują ferromagnetyki miękkie. Pokręcone to wszystko niczym wiertnica studni głębinowych, ale bez obaw. Za chwilę rozłożymy to na czynniki pierwsze.

Jak się ,,robi magnetyzację” już wiesz. Bierzesz do ręki jakiś przedmiot oraz magnes, a następnie pocierasz energicznie jednym o drugie. Wspomnę może od razu, że całe to pocieranie nie jest konieczne. Robimy tak, bo magnesy są zwykle małe, a chcemy dokładnie namagnesować każdy fragment naszego żelastwa. Stąd musimy się nim trochę ,,namachać”.

Szuru-buru

W skali przemysłowej wygląda to inaczej. Tam zasada jest prosta: chcesz bardzo mocno namagnesować coś bardzo dużego? Użyj do tego największego i najpotężniejszego magnesu jaki znajdziesz. A że pod względem mocy elektromagnesy znacząco przewyższają magnesy trwałe, to też nic dziwnego, że zwykle stawia się na te pierwsze.

Elektromagnesy zasługują na osobny artykuł, dlatego dziś wspomnę tylko ogólną zasadę ich działania: jeśli w przewodzie płynie prąd, to ten przewód zostaje namagnesowany. Weź zatem dużo przewodu, puść przez niego horrendalnie duży prąd i już – masz elektromagnes. Podpowiem może jeszcze, że najlepiej jest zwinąć taki przewód w cewkę, czyli taką a’la sprężynę. Powody są trzy. Po pierwsze przewód nam się nie poplącze. Po drugie w środku takiej sprężyny jest miejsce, do którego możemy coś wsunąć. I wreszcie po trzecie kształt ten z jakiegoś powodu wzmacnia generowane pole magnetyczne. Póki co nie przejmuj się tym czemu tak jest i przyjmij to za prawdę objawioną. Wyjaśnię to w następnym artykule.

Elektromagnes

Podłączając elektromagnes do prądu sprawiamy, że wokół niego zaczyna pojawiać się pole magnetyczne. Jest go trochę nad nim, trochę pod nim, ale najwięcej jest w samym środku – to tam nakładają się pola z góry oraz z dołu i wzajemnie się wzmacniają. Stąd, choć moglibyśmy naszym elektromagnesem zacząć pocierać różne przedmioty, to nie ma takiej potrzeby. Wystarczy bowiem wsunąć w jego środek to, co chcemy namagnesować i już. W skrócie możemy więc cały proces magnesowania przy pomocy elektromagnesu rozpisać następująco:

  1. Wytwarzamy pole magnetyczne w elektromagnesie
  2. Wsuwamy do niego mniej lub bardziej podatny magnetycznie przedmiot
  3. Na koniec mierzymy jak bardzo nasz przedmiot się namagnesował (czyli jak silne pole sam zaczął generować)

Pole źródłowe + obiekt testowy = pole wygenerowane. Jeśli dla kogoś to wciąż za dużo znaków, to możemy zapisać to jeszcze prościej:

Wzór ten mógł Ci się już obić o oczy przy okazji poprzednich artykułów. Czy jest prosty? Jak najbardziej. Czy oddaje całą prawdę? Cóż… Gdybyśmy byli bardzo skrupulatni, to słynne Prawo Ohma w postaci U = IR też nie oddaje całej prawdy. Ale oddaje jej dokładnie tyle, ile nam w tym momencie potrzeba. A jak pójdziesz na studia związane z elektrotechniką, albo w przypływie weny kupisz książkę ,,Podstawy teorii pola elektromagnetycznego” pana Piątka, to tam dowiesz się więcej. Aczkolwiek ostrzegam, że to może zmienić twoje życie. W zbyt nagłym przypływie weny możesz przypadkiem wylądować na politechnice, studiując kierunek fizyka techniczna. Żeby nie było, że nie mówiłem.

Wystarczy tego bajdurzenia, wróćmy do B = μH. Ten wzór to właściwie wszystko co musisz wiedzieć o magnetyzacji – jej prawdziwa esencja. Jak to jest, że największe i najważniejsze rzeczy na świecie są opisane najprostszymi równaniami? Nie wiem, ale to właśnie jeden z tych przypadków. To co, rozpracujemy go wspólnie?

Natężenie pola magnetycznego H

Zacznijmy może od wielkiej litery H czyli pola wytwarzanego przez nasz elektromagnes. Fachowo wielkość tę nazywamy natężeniem pola magnetycznego. Natężenie to dość proste słowo – im jest ono wyższe, tym pole magnetyczne jest silniejsze, a więc tym mocniej oddziałuje na otoczenie (mocniej przyciąga, mocniej magnesuje itp.). Ot cała filozofia.

Ale jak sprawić, by natężenie pola magnetycznego H było wysokie? Wcześniej mówiłem, że jeśli chcemy, aby nasz elektromagnes był silny, to musimy użyć dużo drutu oraz dużo prądu. I z grubsza o to właśnie chodzi: mnożysz wartość prądu przez zagęszczenie zwojów na cewce i otrzymujesz H. Że co? Jakie zagęszczenie zwojów? Już tłumaczę.

Jeśli cewka ma 0,1 m długości i posiada 20 zwojów drutu, to ,,gęstość” uzwojeń wynosi w tym wypadku 20 / 0,1 = 200. Innymi słowy na każdy hipotetyczny metr takiej cewki przypada 200 uzwojeń. Teraz mnożymy tę wartość przez prąd o natężeniu na przykład 1 A i w wyniku otrzymujemy H = 200 * 1 = 200. A jednostka? Długość cewki podajemy w metrach, zwoje nie mają jednostki, a prąd jest w amperach.

Wychodzi więc na to, że jednostką natężenia pola magnetycznego H jest amper na metr (A/m). A co myślisz o samym wzorze na H? Prosty i przyjemny, prawda? Możemy z niego wywnioskować, że jeśli zmniejszymy prąd dwukrotnie, to wartość natężenia H również dwukrotnie spadnie. Tak samo jest z gęstością zwojów – jeśli nawiniemy ich nie 20, a 10, wówczas natężenie H spadnie dokładnie o połowę. Polecam samodzielnie podstawić sobie liczby i sprawdzić, czy mówię prawdę.

Przenikalność magnetyczna μ

No dobrze, H mamy już za sobą i wiemy jak działa wytwarzanie pola magnetycznego. Teraz czas coś namagnesować. Obiekt, który poddajemy temu procesowi jest w naszym wzorze B = μH reprezentowany przez tę dziwną literkę ,,u” z ogonkiem. Tak naprawdę to nie żadne ,,u”, a dwunasta litera greckiego alfabetu, którą wymawia się jako ,,mi”. W fizyce pełni ona wiele funkcji, między innymi przedrostka ,,mikro” w określeniach takich jak ,,mikrometr” lub ,,mikrosekunda”. W kontekście naszego dzisiejszego tematu litera μ oznacza przenikalność magnetyczną. Wartość tejże przenikalności decyduje o tym jak duży wpływ na nasz materiał ma pole magnetyczne, które go otacza (np. pole o natężeniu H, wytwarzane przez naszą cewkę). Innymi słowy: im wyższa przenikalność magnetyczna materiału, tym silniej zostanie on namagnesowany. Jaką w takim razie przenikalność mają różne materiały? Zacznijmy może od tego najprostszego, czyli od… niczego.

Elektromagnes w komorze próżniowej

Jeśli zamknęlibyśmy naszą cewkę w komorze próżniowej, wówczas moglibyśmy powiedzieć, że magnetyzujemy… próżnię. Ale jak to? Przecież tam nic nie ma! I tutaj się mylisz, drogi Czytelniku, droga Czytelniczko. W próżni nie ma cząstek materii, tu się zgodzę. Przez to nie rozchodzi się w niej na przykład dźwięk. Ograniczenie to nie dotyczy jednak fal elektrycznych i magnetycznych. Ich nośnikiem są fotony, które mogą lecieć gdzie im się tylko podoba. Z resztą… One nawet wolą, żeby nic nie stało im na drodze (dlatego prędkość światła w próżni jest najwyższa).

W takim razie, skoro pole magnetyczne może rozchodzić się w próżni, to jaką ma ona przenikalność magnetyczną? A taką:

Ależ nieprzyjemna liczba. A jaka dziwna jednostka! Zaznaczę od razu, że widoczne po prawej H w wyrażeniu H/m to nie to samo H co wcześniej. To ,,krzywe” H z poprzednich akapitów (pisane kursywą) oznaczało natężenie pola magnetycznego i było wielkością fizyczną. Z kolei normalne, proste H, widoczne na obrazku powyżej to henr, czyli jednostka fizyczna. Wielkości fizyczne piszemy kursywą, jednostki prostą czcionką. Jasne? Jasne.

Wiesz już zatem jaka jest jednostka przenikalności magnetycznej: henr na metr (H/m). Drugą ciekawostką jest widoczna obok litery μ cyfra 0. Znajduje się ona tam dlatego, że przenikalność magnetyczna próżni to tzw. stała fizyczna, a więc bardzo ważna liczba wykorzystywana w wielu różnych gałęziach fizyki, do wykonywania mniej lub bardziej skomplikowanych obliczeń. Dopisanie do niej małego zera miało za zadanie wyróżnić ją na tle przenikalności innych materiałów.

Ostatnio jednak sprawy nieco się skomplikowały. Otóż w 2018 roku pewni mądrzy ludzie uznali, że nasze dotychczasowe pomiary μ0 były trochę niedokładne. Postanowili więc, że od tego momentu przenikalność magnetyczna próżni będzie aktualizowana – taka stała fizyczna, która nie do końca jest stała. Dziwne to, ale prawdziwe.

Indukcja magnetyczna B

Skoro poznaliśmy przenikalność magnetyczną próżni, to nic nie stoi na przeszkodzie, by podstawić ją do wzoru B = μH i zobaczyć jakie pole B otrzymamy po jej namagnetyzowaniu. Załóżmy, że robimy to przy pomocy elektromagnesu o długości 0,1 m, wyposażonego w 20 zwojów, przez które płynie prąd 1 A. W rezultacie H wyniesie 200 A/m. Przenikalność magnetyczna próżni to około 0,00000125664 H/m, a więc po pomnożeniu obu wartości otrzymamy B równe 0,000251328. Bardzo mała liczba, czyż nie? A co z jednostką? I tutaj robi się ciekawie. Spójrzmy:

Biorąc to na ,,chłopski rozum”, wychodzi na to, że jednostką B jest HA/m2. I jest to jak najbardziej prawdziwa, choć niezbyt ładna jednostka. Na szczęście fizycy wymyślili ładniejszą, do której dojść możemy na kilka sposobów. Ja lubię zacząć od tego, że 1 henr to inaczej:

Podstawiając to do naszego równania z jednostkami, prawie wszystko się skraca i zostaje nam wielka, samotna litera T:

Tak oto naszym oczom ukazała się tesla, jednostka powszechnie wykorzystywana do określania wartości B, czyli indukcji magnetycznej. W naszym przykładzie obliczeniowym otrzymaliśmy indukcję B o wartości 0,000251328 T. Dużo to, czy mało? Bardzo mało! Zwykły magnes na lodówkę ma indukcję 20-krotnie większą, bo wynoszącą nawet 0,005 T. Oczywiście mówimy tu o indukcji maksymalnej, bo jak być może wiesz, wraz z oddalaniem się od magnesu, siła jego pola słabnie. Tak czy owak, 0,000251328 T to bardzo mizerne pole magnetyczne i powody tego stanu rzeczy są trzy: po pierwsze próżnia to kiepski magnetyk, po drugie nasza cewka ma trochę za mało zwojów, a po trzecie puszczony przez nią prąd o natężeniu 1 A to niezbyt duży prąd.

No dobra, to może zbudujemy trochę większą cewkę, puścimy przez nią większy prąd i zmienimy materiał? Pora włożyć do naszej cewki coś innego niż próżnię. Co powiesz na kawałek drewna?

Przenikalność magnetyczna drewna wynosi jakieś 0,00000125663760 H/m. Znowu bardzo mała liczba. Jak wypada ona w porównaniu z poznaną wcześniej próżnią? Może tak będzie łatwiej: przenikalność magnetyczna drewna jest 1,00000043 razy większa od próżni. Czyli jest praktycznie TAKA SAMA. To nie pomyłka – drewno jest wszak paramagnetykiem, co oznacza, że potwornie trudno je namagnesować i nawet potężne pole H nie zrobi na nim wrażenia. No ale co zrobić, spróbujmy chociaż.

Krzywa magnetyzacji

Żeby nasze teoretyczne magnesowanie drewna nie było stratą czasu, to przy okazji wprowadzimy sobie pewien ważny wykres. Będziemy go rysować na takiej oto płaszczyźnie:

Na osi poziomej zaznaczać będziemy to co ,,dajemy”, czyli natężenie pola generowanego przez elektromagnes (H). Z kolei na osi pionowej zaznaczymy to co w rezultacie ,,dostajemy”, czyli indukcję (B). Kilka takich punktów (połączonych linią) da nam doskonały obraz tego jak przebiega magnesowanie. Wykres taki w zachodniej literaturze nazywa się krzywą B-H (ang. B-H curve). W Polsce zaś znany jest on pod nazwą krzywej magnetyzacji. To jak, rysujemy?

Załóżmy, że cewka ma długość taką jak wcześniej (0,1 m), ale tym razem nawinęliśmy na nią 200 zwojów. Dodatkowo puścimy przez nią nieco większy prąd. Niech to będzie kolejno 1 A, 2 A, 3 A i 4 A. Oczywiście zakładamy, że nasza cewka wytrzyma takie natężenie.

Wspomniane wartości natężenia prądu w połączeniu z podanymi wymiarami cewki dadzą nam natężenia pola magnetycznego H o wartościach: 2000 A/m, 4000 A/m, 6000 A/m i 8000 A/m. Oczywiście tylko teoretycznie, bo pomijamy tutaj wszelkie straty i opieramy się tylko i wyłącznie na suchych wzorach.

Zgodnie z równaniem B = μH, mnożymy każdą wartość natężenia H przez przenikalność magnetyczną drewna i uzyskane wartości B zaznaczamy na wykresie. Rezultat? Oto on:

Przy H = 8000 A/m uzyskujemy wartość B = 0,01 T. I z jednej strony można pomyśleć: Wow! Cóż za potężne pole magnetyczne! Jest ono niemal dwukrotnie silniejsze niż przeciętnego magnesu na lodówkę! Jasne, tyle że jest tutaj pewne ,,ale”.

Otóż drewno jest paramagnetykiem, a to oznacza, że nie zachowuje trwale swojej magnetyzacji. Jeśli wyciągniesz je z elektromagnesu (lub wyłączysz prąd), to na powrót stanie się ono nudnym, niemagnetycznym kawałkiem drewna. I tak szczerze mówiąc to… możesz to zrobić od razu. Wspomniane 0,01 T to i tak w większości zasługa elektromagnesu. Gdyby tego kawałka drewna tam nie było, uzyskalibyśmy dokładnie 0,010053096 T. Z drewnem wartość ta wzrasta do 0,010053101 T. Różnica? Oszałamiające 0,000043 %. Czyli tyle co nic. Gdyby umieścić linie magnesowania drewna i próżni na jednym wykresie, to jedna ledwie wystawałaby z nad drugiej!

Mam nadzieję, że rozumiesz już czemu wkładanie paramagnetyków (tak samo jak diamagnetyków) do elektromagnesu nie ma kompletnie sensu. W kontekście uzyskania dużej indukcji B nic nam ono nie daje, a do tego po wyłączeniu prądu cały efekt znika. A jak to jest z ferromagnetykami?

Magnetyzacja ferromagnetyków

Weźmy sobie na warsztat żelazny gwóźdź. Jaka jest jego przenikalność magnetyczna? I tu niespodzianka: nie wiadomo. To znaczy wiadomo, ale to nie jest jedna, konkretna wartość.

Gwoździu, ach gwoździu, czemuś taki tajemniczy?

Niektóre mądre książki podają w swoich tabelach przenikalność magnetyczną żelaza na poziomie 0,0063 H/m. Jest ona zatem około 5000 razy wyższa od próżni. Inne zaś podają, że może ona być 10000 razy wyższa, a inne, że nawet 200000 razy wyższa! Skąd te różnice? Po pierwsze: żelazo żelazu nierówne. Po drugie: jakąkolwiek wartość znajdziesz w tabelach pamiętaj, że jest to tylko i wyłącznie wartość maksymalna. Co to znaczy i czemu masz się tym przejmować? Już tłumaczę.

Jeśli czytałeś mój artykuł o ferromagnetyzmie to wiesz, że tego typu materiały składają się z tzw. domen magnetycznych. Początkowo pole magnetyczne każdej z domen skierowane jest w losowym kierunku, co oznacza ni mniej ni więcej, że ferromagnetyk nie jest namagnesowany. Jeśli jednak poddasz go procesowi magnesowania, wówczas domeny zaczną się stopniowo obracać. Po pewnym czasie, gdy wszystkie zostaną zorientowane mniej więcej w tym samym kierunku, ferromagnetyk zostanie magnetycznie nasycony, czyli ,,po polskiemu” w pełni namagnesowany.

Fakt stopniowego obracania się kolejnych domen ma ogromny wpływ na podatność magnetyczną materiału. Na początku, gdy domen do obrócenia jest mnóstwo, jest ona najwyższa. Wystarczy wtedy niewielki wzrost natężenia pola magnetycznego H by cała masa domen zaczęła lawinowo zmieniać orientację.

Z czasem jednak, gdy domen do obrócenia pozostaje coraz mniej, trzeba bardzo mocno zwiększać wartość H, by przekonać te ostatnie niedobitki do zmiany orientacji. Przez to, im bliżej stanu nasycenia jesteśmy, tym podatność magnetyczna ferromagnetyka jest mniejsza. Zresztą… Wszystko to będzie doskonale widać na wykresie. Zaczynamy:

Na powyższym obrazku widzisz efekt stopniowego zwiększania natężenia H od wartości 0 A/m do 2000 A/m. Widać, że krzywa niejako się rozpędza, czyli zaczyna coraz szybciej rosnąć. Jest to całkiem normalne – domeny też potrzebują nieco zachęty, by zacząć się obracać i nie robią tego od razu. Kiedy wartość natężenia H jest już dość konkretna, indukcja B zaczyna bardzo szybko rosnąć. Zauważ, że przy 2000 A/m mamy już ponad 0,5 T! A to dopiero początek drogi. Co dalej?

Idąc w kierunku 4000 A/m, krzywa pnie się ostro w górę, ale pod koniec zaczyna się załamywać. Jest to efekt tego, o czym pisałem wcześniej: coraz mniej domen pozostało na placu boju i zwiększanie natężenia H daje coraz mniejsze efekty. Ale za to przebiliśmy już 1,5 T!

Przekroczenie 6000 A/m to dalsze ,,wypłaszczanie” krzywej, aż wreszcie, przy 8000 A/m, docieramy do sufitu. Jest to punkt, w którym wszystkie domeny zostały obrócone, a nasz ferromagnetyk się niejako ,,nasycił”. Stąd punkt ten nazywa się punktem nasycenia lub punktem saturacji, a odpowiadającą mu wartość indukcji oznacza się jako Bn lub Bs. W naszym przypadku wynosi ona około 2 T. To więcej niż najsilniejsze magnesy neodymowe i samarowe! I nie jest to błąd. Taka wartość jest jak najbardziej realna w przypadku żelaza, ale o tym pomówimy za chwilę.

Zaznaczę najpierw bardzo ważną rzecz, którą w książkach się raczej przemilcza: Indukcja w punkcie saturacji nie jest maksymalną indukcją, jaką możemy uzyskać podczas magnetyzacji ferromagnetyka! Możemy wszak dalej zwiększać nasze H i w rezultacie osiągać jeszcze wyższe wartości B. Różnica polega na tym, że od teraz nie ma to zbyt wiele sensu. Domeny zostały wszak obrócone, a więc główna zaleta ferromagnetyka zniknęła. Od tej pory zachowuje się on jak zwykły paramagnetyk. To znaczy, że dalsze zwiększanie H będzie powodować bardzo niewielki, ledwie zauważalny wzrost B. A skoro o niewielkim wzroście B mowa: pamiętasz jeszcze nasze drewno? Możemy dla zabawy umieścić linie jego magnetyzacji na tym samym wykresie. Tak dla porównania:

Widzisz ją? Ledwie wystaje ponad poziomą oś! Taka jest właśnie potęga ferromagnetyków. Przy ,,zaledwie” 8000 A/m elektromagnes, w który włożony jest gwóźdź, potrafi wygenerować indukcję tysiące razy większą od elektromagnesu wyposażonego w kawałek drewna. Taki sam prąd płynący przez cewkę (czyli tyle samo energii włożonej do układu), a dwa zupełnie odmienne rezultaty. Jasne, oba takie elektromagnesy bez trudu przykleją się do metalowej lodówki, ale ten z żelaznym gwoździem w środku oderwiesz od niej tylko razem z drzwiami.

Poza zdecydowanie potężniejszym polem magnetycznym, bardzo ważną cechą odróżniającą ferromagnetyki od paramagnetyków jest to, że, wyłączenie prądu nie powoduje zaniku ich magnetyzacji! Wszystko za sprawą domen, które, jak widziałeś wcześniej, trochę niemrawo zaczynały się obracać i potrzebowały do tego nieco zachęty. Z tego samego powodu (czyli wrodzonego lenistwa) będą wolały zachować orientację nadaną im w trakcie magnetyzacji. Oczywiście nie wszystkie (bo w każdej rodzinie trafiają się jakieś czarne owce), ale faktem jest, że indukcja pozostanie na wciąż przyzwoitym poziomie. Zresztą wyłączmy prąd (czyli pole H) i zobaczmy jak wygląda to na wykresie:

W zależności od ferromagnetyka i jego czystości, spadek indukcji może być większy lub mniejszy. Nie mniej jakaś zawsze nam pozostaje, a do tego ma ona specjalną nazwę: indukcja pozostałości magnetycznej. Albo ładniej: indukcją remanencji. Symbol to zwykle Br.

Na wykresie widzimy, że indukcja spadła z wartości 2,0 T do około 1,4 T. Trochę to boli. Nagrodą jest jednak fakt, że właśnie stworzyliśmy magnes trwały! Albo może powinienem powiedzieć prawie trwały, bo jak wspomniałem wcześniej, kilka mocnych uderzeń lub wrzucenie do kominka mogą zupełnie rozmagnesować nasze żelastwo.

Oprócz napaści fizycznej i wysokiej temperatury istnieje jeszcze jeden sposób na to, by pozbyć się indukcji remanencji i rozmagnesować ferromagnetyk. Wystarczy puścić przez nasz elektromagnes prąd w przeciwnym kierunku, czyli niejako zamienić bieguny wytwarzanego wokół niego pola magnetycznego.

W ten sposób ponownie wymuszamy magnesowanie, ale w drugą stronę. To znaczy, że wszystkie domeny będą teraz kolejno obracały się o 180 stopni. Przez to indukcja remanencji będzie stopniowo maleć, aż wreszcie dojdziemy do punktu, w którym ponownie będzie równa zero.

Wartość natężenia H, przy której indukcja remanencji spada do zera, to szalenie ważny parametr. Nic więc dziwnego, że tak jak poprzednie ważne punkty, otrzymał on własną, specjalną nazwę. Brzmi ona: natężenie koercji, a jej symbol to Hc . Mała literka ,,c” pochodzi od angielskiego coercivity, oznaczającego przymuszenie, wymuszenie. I w sumie nawet pasuje, bo jest to rozmagnesowanie – na swój sposób – przymusowe.

A skoro puściliśmy już prąd przez elektromagnes w drugą stronę, to może sprawdźmy co się stanie, gdy jego wartość jeszcze bardziej wzrośnie? Jak łatwo się domyślić, w pewnym momencie również dotrzemy do punktu nasycenia, w którym wszystkie domeny zostaną obrócone w drugą stronę.

Specjalnie nie podaję na wykresie wartości ujemnych, bo często dostaję pytania w stylu: Jak jakaś wielkość fizyczna może być ujemna? Otóż w tym wypadku (jak i wielu innych) ujemność oznacza tylko i wyłącznie zmianę kierunku. Konkretnie: zmianę kierunku pola magnetycznego, a więc zamianę bieguna N z biegunem S. To wszystko.

No dobrze, wróćmy do wykresu. Jesteśmy w drugim punkcie nasycenia i dalsze zwiększanie wartości prądu nie ma sensu. To może znowu go wyłączmy? W ten sposób odnajdziemy drugi punkt remanencji Br.

Prąd płynący przez elektromagnes wynosi teraz 0 A (a więc i natężenie pola H wynosi 0 A/m). Nic nie stoi jednak na przeszkodzie, by przywrócić pierwotną polaryzację i znowu zwiększać wartość natężenia H. W ten sposób miniemy drugi punkt koercji (w którym ferromagnetyk ponownie zostaje rozmagnesowany) aż wreszcie dotrzemy do pierwszego punktu nasycenia. Tak oto cały cykl się zamknie.

Stworzyliśmy zatem dwie linie. Jasnoszara nazywana jest krzywą pierwotną magnesowania. Ta jest dla nas mało istotna. Ważniejsza jest za to ta ciemnoszara, zamknięta krzywa, którą w języku fizyków nazywa się pętlą histerezy (ang. hysteresis loop). Histereza – bardzo ładne słowo, które nie ma absolutnie niczego wspólnego z historią, ani histerią. Wywodzi się ono bowiem z greckiego husteros, oznaczającego spóżniony. I trzeba przyznać, że ma to jakiś sens. Zauważ, że gdy natężenie pola H maleje i spada poniżej zera, indukcja B jeszcze przez chwilę pozostaje dodatnia (dopóki nie przekroczymy punktu Hc). Tak samo jest w drugą stronę. Gdy podnosimy wartość H z ujemnej, na dodatnią, wartość B jeszcze przez chwilę pozostaje ujemna. Reaguje ona więc niejako z opóźnieniem na zmianę wartości H. Fizycy powiedzieliby, że aktualna wartość B zależy od tego, co działo się wcześniej – taka jest zresztą definicja histerezy. Ja wolę jednak taką wersję: opóźnienie indukcji B wynika z lenistwa domen magnetycznych. I na tym poprzestańmy.

Kilkukrotnie w trakcie rysowania tej ładnej, łezkowatej krzywej wspominałem (mam nadzieję), że wartości indukcji Bs i Br z jakimi mamy do czynienia bardzo mocno zależą od tego jaki ferromagnetyk magnesujemy. Prawdą jest bowiem, że ferromagnetyk ferromagnetykowi nierówny, a pętla histerezy jest jak… uroda. Każdy ma swoją. Dlatego poniżej przedstawiam kilka przykładów jak różnorodnie takie pętle mogą wyglądać:

Zaczerpnięto z [1]

Pętla histerezy to swego rodzaju wizytówka ferromagnetyka, z której fizycy potrafią odczytać wiele istotnych parametrów. I choć każda jest niepowtarzalna niczym płatek śniegu, to możemy wśród nich wyróżnić dwie wiodące grupy kształtów. Pierwszy z nich wygląda mniej więcej tak:

Podstawowe cechy tejże pętli to:

  1. Dość wysoka wartość indukcji nasycenia Bs,
  2. Niewiele mniejsza indukcja remanencji Br,
  3. Baaardzo duża wartość natężenia koercji Hc.

Warto zauważyć, że na powyższym wykresie natężenie H wyrażone jest w kiloamperach, czyli tysiącach amperów. Nie muszę chyba mówić, jak potężnym natężeniem jest 80 kA/m.

Wracając jednak do rysunku: tego typu pętla histerezy, o bardzo szerokim, nieco kwadratowym kształcie, jest bardzo pożądana przez wytwórców magnesów trwałych. Co prawda do pełnego namagnesowania takiego ferromagnetyka potrzeba potężnego elektromagnesu, ale w zamian nie traci on wiele indukcji po zakończeniu magnetyzacji, a do tego potwornie trudno go potem rozmagnesować.

Nic więc dziwnego, że tego typu ferromagnetyki potocznie nazywa się twardymi. W poniższej tabeli przedstawiam przykładowe wartości indukcji remanencji oraz natężenia koercji kilku najtwardszych znanych ferromagnetyków.

Charakterystyka wybranych ferromagnetyków twardych

MateriałBr [T]Hc [kA/m]
FeCoCr0,920
AlNiCo1,2124
Ferryt0,4275
NdFeB1,01200
SmCo0,91500

Jak można się było domyślić, pod względem ,,twardości” prym wiodą mieszanki stosowane do wyrobu magnesów neodymowych (NdFeB) oraz samarowych (SmCo). Magnesy AlNiCo są co prawda odrobinę mocniejsze, ale za to nieporównywanie mniej trwałe.

Drugą charakterystyczną grupą jeśli chodzi o kształt pętli histerezy są ferromagnetyki miękkie. Wyglądają one mniej więcej tak:

Od razu zwrócę uwagę, że powyżej nie mamy już kiloamperów na metr (kA/m), a jedynie ampery na metr (A/m). Niesie to za sobą kilka istotnych wniosków:

  1. Ferromagnetyki miękkie to rekordziści jeśli chodzi o indukcję nasycenia Bs.
  2. Wartość indukcji remanencji Br jest już niestety sporo niższa (nawet o 50%),
  3. Namagnesowanie i rozmagnesowanie takiego ferromagnetyka nie wymaga silnego pola magnetycznego i jest niemal natychmiastowe.

Innymi słowy ferromagnetyki miękkie to bardzo dobre magnetyki, ale przy tym niezbyt trwałe. Stąd sprawdzają się one doskonale tam, gdzie potrzebujemy pola magnetycznego, które łatwo ,,wyłączyć” lub zmienić jego polaryzację. Przykładem mogą być tutaj transformatory, które do transformacji napięcia wykorzystują zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Jako iż są one zasilane prądem przemiennym (zmieniającym polaryzację 100 razy na sekundę), to wolelibyśmy, żeby większość tego prądu nie była marnowana na ciągłe przemagnesowywanie ferromagnetyka. Chcemy żeby działo się to szybko i przy małym nakładzie energii.

Natężenie koercji materiałów spełniających tego typu wymagania nie przekracza zwykle wartości 100 A/m. Idealnie, jeśli wynosi ona mniej niż 10 A/m, aczkolwiek jest to niezwykle trudne do uzyskania. Czyste żelazo (99,95% Fe) ma na przykład wartość natężenia koercji równą 4 A/m. Niestety tak wysoką czystość tego pierwiastka da się utrzymać tylko w laboratorium. Zwykłe, komercyjnie dostępne żelazo charakteryzuje się natężeniem koercji w przedziale 20-100 A/m. Z kolei permendur (stop żelaza, kobaltu i wanadu), czyli obecny rekordzista wśród ferromagnetyków miękkich jeśli chodzi o indukcję nasycenia (2,43 T) ma z kolei natężenie koercji na poziomie 200 A/m.

Wiesz już zatem co odróżnia ferromagnetyki twarde od miękkich. Na tym etapie, w każdej szanującej się książce na temat magnetyzmu, pojawia się obrazek, na którym widzimy porównanie obu pętli histerezy na jednym wykresie. Niestety z powodu gigantycznej wręcz różnicy w natężeniu koercji obu typów ferromagnetyków, wykresy te nie są zazwyczaj zbyt dokładne jeśli chodzi o odwzorowanie skali. Ale co mi tam… Ja też chcę mieć taki obrazek. Postarałem się jednak, aby był on możliwie realistyczny. Oto efekt moich prób:

Wypunktujmy zatem podstawowe różnice między tymi pętlami:

  1. Pętla histerezy ferromagnetyków miękkich jest zwykle wyższa i dużo węższa
  2. Pętla histerezy ferromagnetyków twardych jest zwykle niższa i dużo szersza

Pogrubiłem słowo zwykle, bo jak się przejrzy kilka prac naukowych na temat współcześnie odkrywanych ferromagnetyków, to można zobaczyć różne cuda. Niestety w większości przypadków mają one rację bytu tylko w laboratoriach i w bardzo wąskim zakresie zastosowań.

Podsumujmy

Niniejszym witam Cię na końcu tej długiej podróży przez meandry magnetyzacji. Podsumowanie? Bardzo proszę. Oto kilka kluczowych punktów:

  1. Magnetyzacja to inaczej namagnesowanie.
  2. Aby namagnesować przedmiot, można go pocierać magnesem, ale znacznie lepiej włożyć go do elektromagnesu.
  3. Natężenie pola wytwarzanego przez elektromagnes (H) zależy od wartości puszczonego przez niego prądu oraz ,,gęstości” jego uzwojeń.
  4. Im silniejsze pole magnesujące (H) i bardziej podatny materiał (μ), tym silniejsze pole wytworzone w materiale (B)
  5. Paramagnetyki mają niskie wartości podatności magnetycznej – niewiele wyższe od próżni. Do tego tracą cała magnetyzację po wyciągnięciu ich z elektromagnesu.
  6. Ferromagnetyki pozwalają uzyskać potężne pole magnetyczne, a także zachować je na dłużej.
  7. Ferromagnetyki miękkie nie wymagają do tego dużych nakładów energii, ale za to łatwo je rozmagnesować.
  8. Ferromagnetyki twarde potrzebują do namagnesowania potężnego pola H, ale w zamian są znacznie trwalsze.

Dziękuję bardzo za uwagę! Jeśli zrozumiałeś dzisiejszy materiał, to jesteś już o krok od zrozumienia jak działa elektromagnes i transformator. O tym porozmawiamy jednak przy okazji kolejnych artykułów, na które już teraz serdecznie Cię zapraszam. Do usłyszenia!


Dzięki za poświęcony czas!


Bibliografia

  1. Handbook of Magnetic Measurements – S. Tumanski, CRC Press, 2011
  2. Modelling the Magnetic Permeability of General Steels – artykuł dostępny pod adresem: https://www.sentesoftware.co.uk/site-media/magnetic-permeability
  3. Magnetism and Magnetic Materials – J. M. D. Coey, Cambridge University Press, 2009
  4. Elektrotechnika – S. Bolkowski, WSiP, 2018

Podobało się? Zajrzyj na
PATRONITE
i wspieraj moją dalszą pracę!
Krótka Historia Elektryczności
A może chciałbyś przeczytać ciekawą książkę?
Pewnie!

Ten post ma 10 komentarzy

  1. Mariusz

    Super się to czyta i jest to zrozumiałe! 🙂
    Mam pytanie odnośnie wartości natężenia pola magnetycznego H. Wyznaczając wartość natężenia pola np: 200A/m jak to interpretować? Czy to dużo czy mało? Jaki to może mieć wpływ na nas? Wydaje się być dużo jeżeli uzyskamy takie wartości przy natężeniu 1A. Tak jak w przypadku 1C i 1 elektronu wiadomo, że 1C to dużo bo wiadomo jaką wartość ładunku ma taki elektron.

    Zastanawia mnie jeszcze kwestia długości cewki 0,1m chodzi o długość nawiniętej cewki czy drutu służącego do jego nawinięcia?

    Pozdrawiam

    1. Artur Szulc

      Dzięki, cieszę się, że artykuł się spodobał 🙂
      Co do wspomnianych wielkości to owszem, 1 C to spory ładunek, ale tylko dlatego, że odnosimy go do ładunku pojedynczego elektronu. A weźmy taki 1 A. Dużo to, czy mało? W porównaniu z prądem jaki generuje pojedynczy elektron płynący przez przewód, to jest to gigantyczna wręcz wartość! Z drugiej strony w obecnych czasach większy prąd płynie przez ładowarkę do naszego telefonu. W porównaniu z prądem zużywanym przez duże zakłady przemysłowe, czy całe osiedla, 1 A wydaje się znikomy. Także to tylko i wyłącznie kwestia skali. Natężenie H trudno jest ubrać w jakieś ramy, bo zależy ono od wymiarów cewki, a i niezbyt intuicyjnie czujemy tę wartość, nie mamy punktu odniesienia. Pole o natężeniu 200 A/m możesz wygenerować zarówno prądem 0,1 A jak i prądem 200 A. Patrząc jednak na natężenie H w kontekście magnesowania żelaza i wytworzonej w ten sposób indukcji, można przyjąć, że 1000 A/m to już bardzo duża wartość zdolna wytworzyć B na poziomie 0,5 T. Oczywiście samo w sobie B również wiele nam nie mówi, bo o sile pola magnesu decydują też jego wymiary. Także mówiąc ogólnie: skomplikowany temat 😉
      A co do pytania, to 0,1m jest długością już zwiniętej cewki, a nie użytego drutu. W literaturze znajdziemy określenie ,,długość drogi magnetycznej”, jeśli coś ci to ułatwi ;). Zresztą określenie to zapewne powróci jeszcze przy okazji omawiania obwodów magnetycznych.

  2. Robert

    Jestem wdzięczny że przypadkiem trafiłem na Pana stronę: czytam od podszewki , uczę się podstaw i dzięki Pana artykułom zaczynam rozumieć swoją prace…Dziękuje bardzo😊

  3. Bartosz

    Nie wszystko zapamiętałem, ale wszystko zrozumiałem 😀 Ferromagnetyki twarde porównałbym do takiego Pudziana, który jest niski i szeroki, natomiast miękkie do Marcina Gortata który jest wysoki i chudy 😀 Mózg uczy się między innymi przez skojarzenia 😀 Fajna sprawa, bo w końcu zrozumiałem czym jest histereza magnetyczna. Kiedyś w technikum zapytałem czym jest histereza, no cóż, żałowałem że zapytałem. Nie rozumiem tego systemu edukacji, w średniej traktują cię jak studenta zalewając morzem wiedzy, ale gdy uczeń okazuje zainteresowanie wybranym tematem to jakoś niebardzo wysilają się aby wytłumaczyć.

    1. Artur Szulc

      Na studiach było trochę lepiej, ale też niestety nagminną praktyką było (przynajmniej te 10 lat temu) wrzucanie wykładowców na przedmioty, z którymi niewiele mieli wspólnego. Stąd, mimo ogromnych chęci, nie zawsze byli w stanie odpowiedzieć

  4. Robert

    Witam, ma Pan bardzo rzadki dar mówienia prosto o rzeczach trudnych. Bardzo dobrze czyta się artykuły,
    pozdrawiam serdecznie

  5. Zbyszek

    Bardzo dobry artykuł,super się czytało dzięki:)))

      1. Konrad

        Świetnie Pan tłumaczy ma Pan bardzo rzadki dar opisywania skomplikowanych zjawisk w prosty sposób, nie to co większość akademickich bełkotów.

Dodaj komentarz