Jak železo zesiluje magnetické pole?

V minulých textech jsme řešili, že když vodičem teče proud, vzniká kolem něj magnetické pole. Chceme-li se stejným proudem vytvořit silnější pole, stačí vodič namotat do tvaru cívky, čím víc závitů, tím silnější pole. Říkali jsme si taky, proč se železo ve vnějším magnetickém poli samo začne chovat jako magnet. A poslední poznatek byl, že železo magnetické pole zesiluje. Ale jak to vlastně dokáže?

Sílu magnetického pole jsme si označili jako magnetickou indukci B. Když si vyneseme graf, kde na svislé ose bude magnetická indukce a na vodorovné proud tekoucí cívkou, dostaneme (v uvozovkách) tzv. magnetizační charakteristiku. Začněme s cívkou bez železa, tedy se vzduchovým jádrem. V tom případě je charakteristika lineární: čím víc proudu, tím víc magnetické indukce. 

Teď máme v cívce kus železa. V minulém článku jsme si řekli, že když na železo působí vnější magnetické pole, domény se začnou natáčet jeho směrem. Ale to je jen půlka příběhu. Ve skutečnosti to začíná tak, že se nejdřív zvětšují ty domény, které už jsou aspoň trochu ve správném směru, tedy ty, které už částečně souhlasí s vnějším polem, v tomto okamžiku stoupá hysterezní přímka strmě. Až když dál zvyšujeme proud v cívce (čili budící magnetické pole), začnou se tyto zvětšení domény natáčet přesně ve směru vnějšího pole. Čím větší proud, respektive čím silnější budící pole, tím větší jsou oblasti, ve kterých atomy míří stejným směrem. Nyní se bavíme o plošší části magnetizační křivky. Protože se magnetická pole domén přičítají k původnímu budicímu poli, výsledné magnetické pole je mnohem silnější.

Takže teď máme většinu atomů v železe natočenou jedním směrem, stejně jako vnější pole. A i když jsme si dřív vysvětlili, že magnetické pole atomu je kombinace spinového a orbitálního vlivu, tady si to zjednodušíme: představme si, že kolem jádra běhá maličký proud. A teď si představte biliony těchhle drobných proudových smyček, všechny orientované stejně. Uvnitř železa se tyto proudy navzájem ruší, každá protisobě jdoucí dvojice proudů se vykompenzuje. Ale na okraji železa zbyde jedna obří smyčka proudu, která „běží“ po jeho povrchu. A tahle smyčka má stejnou orientaci jako proud ve vnější cívce.

Jenomže nejde o skutečný, měřitelný proud, je to součet všech těch atomárních proudů, které se seřadily jedním směrem. Tohle se nazývá vázaný proud. A právě tímhle vázaným proudem železo dramaticky zesiluje existující magnetické pole. A ne o trochu, pole může být klidně tisíckrát silnější, než kdyby byla uvnitř cívky jen vzduch.

Magnetostrikce

Jak jsme si řekli, vlivem magnetického pole dochází ke změně tvaru magnetických domén, a tím i k nepatrné deformaci samotného materiálu. Tohle drobné chvění se odborně nazývá magnetostrikce. Všimnout si toho můžete třeba u transformátorů nebo starých zářivek, kde je typické hluboké 100Hz bzučení. To vzniká právě proto, že síťový proud se mění 50× za sekundu, což znamená, že magnetické pole mění směr 100× za sekundu a s každou změnou se materiál mikroskopicky rozměrově změní.

Hystereze, magnetický tvrdé a měkké materiály.

Když je železo vystaveno proměnlivému magnetickému poli, magnetizační křivka při zvyšování a snižování proudu nejde po stejné cestě. Dochází totiž k jevům, kterým říkáme hystereze. Znamená to, že záleží nejen na tom, jak silné pole aktuálně působí, ale taky na tom, jaký magnetický stav měl materiál předtím.

Na hysterezní křivce je krásně vidět, že i když už proud cívkou neteče, materiál si pořád drží zbytkovou (remanentní) magnetickou indukci Br, jinak řečeno, zůstává zmagnetovaný.

Proč? Protože doménové stěny se nepohybují úplně hladce, narážejí na nečistoty v materiálu. Ty je zbrzdí nebo úplně zadrhnou, takže domény zůstávají částečně natočené i po vypnutí proudu. A právě tohle nám ukazuje cestu, jak vyrobit materiál, který si magnetismus podrží: do čistého železa musíme přimíchat správné množství správných příměsí, které ztíží návrat domén do chaotického rozložení.

Takový materiál se nazývá magneticky tvrdý a používá se třeba pro výrobu trvalých magnetů, jeho hysterezní křivka je značně širší.. Naopak magneticky měkký materiál (čistší železo bez záměrných příměsí) se po vypnutí proudu rychle „odmagnetuje“ a hodí se třeba do transformátorů, kde nechceme, aby si magnetismus držel mezi cykly.