Igazgató: Prof. BÁRSONY István DSc, H-1525 Budapest, Konkoly-Thege M. út 29-33, Tel.:+361-3922225, Fax:+361-3922226

MFA Nyári Iskola Középiskolásoknak

dr. GASPARICS Antal #10A - MÁGNESES ANYAGVIZSGÁLAT és KÉPALKOTÁS
Témavezető: dr. GASPARICS Antal, Tel.:392-2222-3369, Épület:26., Szoba:122., E-mail:gaspari@mfa.kfki.hu,gasparics.antal@ttk.mta.hu, GEarth:(KFKI_26)

mágneses iránytű
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.
Depréz-műszer
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.

Foner-féle vibrációs magnetométer (VSM)
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).
mágneses hiszterézis görbe
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.
mágneses domén rendszer
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).
szupravezető fölött lebegő mágnes
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.)

repedés elektromégneses képe
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.

  • repedések elektromágneses képe
    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...




    LINKEK:
    Az MTV Géniusz c. műsorának 2009. február 7-i adása





    TV-ből digitalizált videók a laborban folyó munkáról:

    2009.04.29.-3':24", LETÖLTÉS (MPEG1, 25 MByte)

    A Delta c. műsorban bemutatják az MFA-ban kifejlesztett roncsolásmentes mágneses anyagvizsgálati szenzort és módszert.
    2009.02.07.-15':04", LETÖLTÉS (MPEG1, 145 MByte)

    A Géniusz c. műsorban beszámolnak a lézerrel beírt vonalkódok MFA-ban kifejlesztett mágneses kiolvasásáról.


    ELÉRHETŐSÉGEK:
    Témavezető: dr. GASPARICS Antal, Tel.:392-2222-3369, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26., Szoba:122, E-mail:
    gaspari@mfa.kfki.hu,gasparics.antal@ttk.mta.hu, GEarth:(KFKI_26)

    Utolsó frissítés: Sun, 03 May 2015 20:01:49 GMT, Számláló: