|
 |
1. ábra. Mágneses iránytű.
|
A MÁGNESSÉG ÉRZÉKELÉSE (gondolatébresztő bevezető):
Annak ellenére, hogy a hétköznapi életben se szeri, se száma a különféle mágneses
eszközöknek (lásd pl.: iránytű, mágnespatkó, fülhallgató, hangszóró, dinamikus mikrofon, magnetofon,
ferrit antenna, katódsugárcső, villanymotor, relé, dinamó, generátor, transzformátor, eltérítő mágnes,
Depréz-műszer, mágneses daru, stb.),
a mágneses tér a különféle megnyilvánulásaival olyan jelenség maradt, amelyet bizonyos misztikum
leng körül, és az általános kíváncsiság dacára elég távol áll a legtöbb ember gondolatvilágától,
tapasztalataitól. Ennek oka részben az, hogy nincs olyan érzékszervünk, amellyel közvetlenül
érzékelni tudnánk a mágneses tereket. Vagyis a mágneses tér érzékelése számunkra csak közvetett
úton, speciális kísérleti eszközök felhasználásával lehetséges. Az első ilyen számontartott
eszköz az iránytű volt (1. ábra), pontosabban a
mágneses kanál (kínai gyártmány :-)...)
Természetesen nagyon jó lenne a mágneses teret nem egyszerűen csak észlelni, hanem
irány és nagyság szerint is pontosan mérni tudni, azonban egy jól működő
magnetométer megalkotása
határozottan nehezebb feladat, mint a Depréz-műszeré (2. ábra), amely egy állandómágnes terében rugó
ellenében elfordulni képes dróttekercs segítségével képes mérni a tekercsen átfolyó elektromos áram erősségét.
 |
2. ábra. Depréz-műszer.
|
Mágneses teret (H), pontosabban a mágneses indukciót (fluxussűrűséget) (B=mH)
elvileg az elektromágneses indukció felhasználásával mérhetnénk meg a legkönnyebben, pl. úgy, hogy benne egyenletes
sebességgel megpörgetnénk egy ismert (és állandó) geometriájú drót tekercset.
( U= -dF/dt, ahol F a B mágneses fluxussűrűségnek
a tekercs "A" felületére (azaz keresztmetszetére) vett integrálja, szorozva az "N" menetszámmal.)
Sajnos a kellően nagy indukált feszültséghez nagy fordulatszám (és menetszám) is kell, amely mellett különösen nehéz
fenntartani a megfelelő mechanikai stabilitást, nem beszélve a forgó tekercshez menő elektromos kontaktus folyamatos
biztosításának problémájáról.
Egy másik lehetőség a mágneses tér mérésére a kompenzációs módszer, vagyis hogy elektromos áram segítségével
mi magunk generálunk egy olyan mágneses teret, amely azonos nagyságú, csak éppen ellentétes irányú a mérni kívánt
mágneses térrel, amit így leront. Ebben az esetben nem kell nagy stabilitással és linearitással mérni tudni
a mérendő mágneses teret, csak azt kell érzékenyen észlelni, hogy jól kompenzáltuk-e nullára. Vagyis pl.
megtehetjük azt, hogy nagyon gyorsan rezgetjük az indukciós tekercset, akár ha nem is túl jó stabilitással,
mert a lényeg úgy is csak annyi, hogy mikor tűnik el az indukált jel a kompenzáló tér hangolásakor.
Ez utóbbit kell csak pontosan végrehajtani, ezt viszont nem nehéz, hiszen arányos a kompenzátor elektromágnesben folyó
áramerőssggel! Az idők folyamán sokféle mágneses szenzort kombináltak már a kompenzációs módszerrel, és ennek
megfelelően sokféle érzékeny mágneses térmérő eszközt alkottak. Ezeknek mind megvannak a maguk jellegzetes
előnyei és korlátai, így helyzettől függ, hogy mikor melyiket érdemes használni:
- Hall-elemes magnetométer - nem túl kényes, és egészen nagy terekig jól használható
- Fluxgate magnetométer - bonyolultabb, de a linearitása jobb és az érzékenysége akár 0.1 nT (10-10 T) is lehet
- FluxSet magnetométer - a fluxgatere hasonlító működési elvű
és érzékenységű, de annál egyszerűbb felépítésű, a mi intézetünkben kifejlesztett magnetométer
- SQUID magnetométer (Superconducting Quantum Interference) - bonyolult és drága,
de rendkívül érzékeny berendezés, akár 10-18 T érzékenységgel.
 |
3. ábra. Foner-féle vibrációs magnetométer (VSM).
|
Ha nem a levegőben mérhető mágneses tér érdekel minket, hanem egy adott anyagdarab mágnesezettsége,
akkor megtehetjük, hogy a mintát hozzuk rezgésbe (miután felmágneseztük egy statikus mágneses térrel)
és úgy mérjük az indukálódott jelet. Így működik pl. a Foner-féle vibrációs magnetométer (VSM, 3. ábra).
Ennél a módszernél általában folyamatosan változtatható a felmágnesező tér nagysága és iránya (előjele),
s így egy teljes mágnesezési görbe (ún. hiszterézisgörbe) is nyerhető (4. ábra).
 |
4. ábra. Mágneses hiszterézis görbe.
|
A mágnesezési görbéből az anyag mágneses viselkedésének sokféle jellemzője kiolvasható.
Például hogy H függvényében B esetleg közel sem lineáris. (Másszóval,
a "m" permeabilitás nem állandó.) Vagy hogy a B indukció
egy bizonyos H tér felett telítésbe megy (szaturáció). De amikor újra csökkenteni kezdjük
H értékét, B nem fog ugyanolyan gyorsan csökkenni, sőt, még 0 mágneses tér
mellett is megmarad valamekkora B=/=0 mágneses indukció (remanens mágnesezettség).
Ahhoz, hogy a remanens mágnesezettség eltűnjön, a Hc koercitív mágneses
térerőnek megfelelő nagyságú fordított irányú mágneses tér szükséges. Általában véve, az oda-
és a visszafelé való haladás a mágnesezésnél különböző görbék mentén halad (ez a hiszterézis).
Szerencsére nem minden mágneses anyag viselkedik ilyen bonyolultan. Az anyagokat durván 3 nagy csoportba
sorolhatjuk mágneses viselkedésük (a "m" permeabilitás) szempontjából:
- diamágnes (valamelyest kiszorítja magából a mágneses teret, mágnesezési görbéje jó közelítéssel lineáris)
- paramágnes (valamelyest magába gyűjti a külső mágneses teret, mágnesezési görbéje jó közelítéssel lineáris)
- ferromágnes (jócskán felerősíti a külső mágneses teret, de mágnesezési görbéje kevéssé lineáris, jelentős hiszterézissel)
- (vannak további csoportok is!)
A diamágnességnek kvantumfizikai okai vannak, ezért alapvetően minden anyag diamágneses. De ha vannak az anyagban
szabad (nem kompenzált) mágneses momentumok (tipikusan párosítatlan spinű elektronok, mint mondjuk a szabad,
naszcensz oxigén atomban), akkor azoknak lesz egy pozitív mágneses járulékuk is, mert külső mágneses tér jelenlétében
részben rendeződnek. Ez a paramágnesség. Ennek járuléka többnyire nagyobb a diamágnesesnél, ezért ahol van paramágnesség,
ott az legtöbbször elnyomja a diamágnességet. Végül előfordul az is, hogy egyrészt az anyagban bőven vannak szabad
mágneses momentumok, másrészt ezek között egy olyan speciális (szintén kvantumfizikai eredetű) kölcsönhatás lép fel
(ún. kicserélődési kölcsönhatás), amely annak árán is képes párhuzamosra állítani a mágneses momentumokat
egészen nagy tartományokban (ún. doménekben, 5. ábra), hogy így jelentősen megnövekszik a mágnesezési energia.
 |
5. ábra. Kacskaringós domén rendszer merőleges mágneses anizotrópiájú anyagban.
|
Ilyen kollektív mágneses jelenség a ferromágnesség. Lényeges, hogy a mágneses momentumok ezen rendeződése nem egy külső
mágneses tér hatására, hanem úgymond spontán (ti. a kicserélődési kölcsönhatás miatt) lép fel. De ha jelen van egy
külső mágneses tér, akkor a spontán mágnesezettség irányát könnyen elfordíthatja (ha ennek ellenében nem
hat valamilyen kristályszerkezeti, vagy geometriai anizotrópia.) Magasabb hőmérsékleteken előfordul, pontosabban a Tc
Curie-hőmérséklet felett, hogy az egyébként ferromágneses rendeződésre képes anyag paramágneses állapotúvá válik.
A tiszta szigetelő anyagok nagy többsége (üveg, fa, műanyagok, teflon) diamágneses, a sok elektront tartalmazó fémek
(pl. alumínium) és az ionokat tartalmazó elektrolitok paramágnesesek, egyes fémek és ötvözeteik, továbbá bizonyos kerámiák
pedig alacsonyabb hőmérsékleteken ferromágnesesek (pl. vas, nikkel, cobalt).
 |
6. ábra. Szupravezető fölött lebegő mágneskorong.
|
A szupravezető anyagok is diamágnesesek, mégpedig annyira erősen, hogy inkább képesek lebegtetni
maguk fölött egy kis mágnest, sem hogy magukba engednék annak mágneses fluxusát. A szupravezetők
sok más érdekes tulajdonságát itt nem részletezhetjük, da ajánljuk olvasgatni a
Wikipédiát!
Látható, hogy a mágneses anyagok nagyon sokféle viselkedésűek, ráadásul gyakran erősen nem-lineáris jelleggel.
Ez komoly nehézség a könnyű megértés útjában, ugyanis a gyermekkorunk óta a lineáris, egyszerű arányosság világában
kialakult látásmódunk csak nehezen alkalmazkodik egy jellemzően négyzetes (pl. az energiával összefüggő), vagy
magasabb hatvány kitevős (dipól és multipól terek), esetleg exponenciális (Tc körül), vagy még bonyolultabban
meghatározott (szaturációs, hiszterézises) fizikai mennyiségekhez. Olyan ez, mint amikor valaki egy 3-dimenziós világból
próbál betekintést nyerni egy még több dimenziósba. (A mágnesterek leírására a gyakorlatban leggyakrabban használt
terek pl. 9-dimenziósak.)
 |
9. ábra. Rozsdamentes acél mintába mart mesterséges repedés elektromágneses képe.
|
Az MFA Nyári Iskola
röpke pár napjában természetesen nincs idő arra, hogy egy ilyen összetett, sokdimenziós,
nem-lineáris világ pontos leírásához szükséges teljes matematikai apparátust érdemes lenne akárcsak futva is áttekinteni.
Ehelyett azt a célt tűzzük ki, hogy:
fizikai kísérletekkel láthatóvá tegyük a mágnesteret,
akár 3-dimenziós képet is készítsünk róla,
és ha már látható, akkor az is megtapasztalható, hogy a mágnestér hogyan lép kölcsönhatásba
különböző mágneses (ferro-, dia- és paramágneses) anyagokkal,
hogyan hatol beléjük és teszi megfigyelhetővé azok belső szerkezetét.
Mindeközben megismerhetjük azon eszközök működését, amelyek képesen mindezt érzékelni és mérni.
de fejleszthetők programok is a képalkotáshoz,
és megtudhatjuk pl. azt is, hogy miért óriási jelentőségű a mágnestér alkalmazása az alumínium vázas
utasszállító repülőgépek esetében.
|
|
 |
10. ábra. Rozsdamentes acél mintába mart mesterséges repedés-sorozat elektromágneses képe.
|
A témát kiváltképpen olyanoknak ajánljuk, akik az érdekességeken túl olyasmivel is megismerkednének, amit eddig még elképzelni sem tudtak...
|
