Cs. Kádár Péter - XXI. századi Diszkónika, 326. Görbe szűzek

A Vesta-szüzek az ókori Rómában Vesta istennő papjai voltak. Sérthetetlenségüket törvény garantálta, de ha vétkeztek vagy csak megvádolták őket, kegyetlen éhhalál várt rájuk.

A mágneses jelrögzítés módozatait, eljárásait jóval korábban kezdték alkalmazni, mint mielőtt annak atomfizikai alapjait ismerték volna, s még napjainkban is van néhány módszer, amit évtizedek óta használunk igen jó eredménnyel, ám az, hogy miért és hogyan működik, még mindig szűz területnek számít. Vagy inkább arról lehet szó, hogy mivel működik, kit érdekel, nem kell tudni mindennek az okát. Az ember azonban kíváncsi lény, és ha nem elégszik meg felszínes marketing rizsákkal, érdeklődve kutakodik a mágnesesség okának mélyebb bugyraiban. Egy idő után megtanulja hozzá a matekot is, hiszen az a természettudományok nyelve, de kezdetben anélkül is elboldogulhatsz, nem fogsz éhhalára ítélve belehalni.

Azt már tudod, hogy a mágneses hangrögzítéshez nem mágnesezhető mechanikai hordozóanyagra, a hatvanas évek óta polivinil-klorid (PVC) vagy polietilén-tereftalát (PET, Mylar) szalagra mágnesezhető réteget (pl. vas, vas- és krómötvözetek) visznek föl, ragasztanak rá. A mágnesezhető réteg úgy tekinthető, mintha sok kis mágnesből állna, amelyek vasmagos tekercs, elektromágnes előtt haladnak el. Ha a tekercsbe megfelelő áramot vezetünk, a mágneskék egyik vagy másik irányba mágneseződnek attól függően, hogy milyen irányú, merre folyik az áram a tekercsben. A mágnesezettség mértéke függ az áram erősségétől, de nem egyenesen arányos vele, hacsak be nem vetünk néhány trükköt. Az elemi mágnesek ezt az állapotukat hosszú ideig megtartják – valamennyire. Ha ezután a mágneses adathordozót ismét elmozdítjuk egy vasmagos tekercs előtt, akkor ezek az elemi mágnesek, elhaladván a tekercs előtt, abban feszültséget hoznak létre, indukálnak. Ez az indukált feszültség a rögzített jelnek felel meg. Illetve, közel sem annak felel meg, nem egyenesen arányos vele, de ismét ügyes korrekciókkal az arányosság többé-kevésbé helyreállítható.

gsz02

A fenti ábrával van egy kis gond. Ugyanis sem teljesen elvi, sem teljesen valódi megoldást mutat. Az ideális rés szélessége ugyanis 0 lenne, ha feltételezzük, hogy 0 résen egyáltalán lépes lenne hatni a szalag mágnesezését végző erőtér. Meg aztán mi a lótüdő a domén? Arról nem is beszélve, hogy a valódi fejek szerkezete nem teljesen ilyen. Szóval, lassabban a testtel! Óvatosan leszállunk az anyag szerkezetének mélységeibe. Hogy a leszállás ne okozzon megrázkódtatást, onnan indulunk, hogy az elektromos áram mágneses teret hoz létre egy vezető körül. Az alábbi videót a sorozat 17. részében már láthattad.

Ha most egészen pici méretekben gondolkodunk, akkor eszünkbe jut, hogy az elektron, a negatív töltésű részecske az atommag körül kering. Annak, hogy nekünk eszünkbe jut, az az oka, hogy a múlt század elején megalkotott – de később pontatlannak bizonyult – atommodell feltételezte e „keringést”. Az idézőjelet az indokolja, hogy nem olyan keringésről van szó, ahogy azt Móricka elképzeli. A következő látványos videó talán közelebb visz annak megértéshez, hogy az egyszerűbb atommodell ábrázolásokkal mi a gond.

Az elektron nemcsak „kering”, hanem a saját tengelye körül is „forog”. Egyszerű volna úgy elképzelned a jelenséget, ahogy a Föld kering a Nap körül, és még a saját tengelye körül is forog, de sajnos, nem analóg a két jelenség. Az elektron ugyanis nem forog, csak kimutatható egy olyan tulajdonsága, ami olyan, mintha forogna. Ez a tulajdonság a többi mechanikai tulajdonságától (pl. a tömege, a mérete vagy az energiája) és térbeli mozgásától független, és rövid neve is van: spin. A hosszabb neve pedig „saját impulzusmomentum”. A spinnel rendelkező, negatív töltésű részecske mágneses terét mutatja az alábbi ábra. A fekete nyíl a spin iránya, mert a spin vektormennyiség (lásd a sorozat 4. részét; hű, de régen volt!).

gsz03

Nemcsak a spin hoz létre mágneses teret, hanem az elektronnak atommag körüli, már említett „keringése” is. Hogy kellőképpen tudományos legyek, a keringésből, a forgásból is keletkező mágneses erő a mágneses dipólus momentum, rövidebben mágneses momentum. Ez a fura elnevezés a tudósok körében arra utal, hogy nincs egypólusú mágnes, vagyis a mágneses jelenséget mutató szerkezetek – így az atom is – kétpólusúak. A mágneses momentum a mágnesnek az az ereje, amivel az áramra hat, és az a nyomaték, amellyel a mágneses tér visszahat a mágnesre. A mágneses momentum vektormennyiség. A mágnes mágneses momentuma a mágnes déli sarkától az északi sarka felé mutat. A mágnes által létrehozott mágneses tér nagysága arányos a mágnes mágneses momentumával. Az atom mágneses momentuma a „keringési” pályamágnesességből és a spinmágnesességből tevődik össze. Ha még nem zavarodtál meg teljesen, van egy harmadik komponens is, az atommag saját mágneses momentuma, de ez általában elhanyagolható.

Az anyag viselkedését külső mágneses térben csak az atom mágneses momentumának nagysága és iránya határozza meg. Ilyenkor az elektronok „forgását” és atommag körüli „keringését” megzavarja, hogy mágneses terük a külső térrel együtt alkot eredő teret. Ez a tér erőt fejt ki a mágneses térbe tett anyagra, visszahat az elektron „forgására”, amelynek mozgását az alábbi animáció illusztrálja. Az ilyen mozgást precessziós mozgásnak hívják. A mozgásból származó mágneses momentum iránya ellentétes a külső térrel.

gsz04a

Lelki szemeimmel már látom, hogy már rég agyfrászt kaptál, de ne csüggedj, mindjárt magadhoz fogsz térni. Most ott tartunk, hogy ha külső mágneses térbe beteszünk valamilyen testet, amit a fizikusok próbatestnek hívnak, akkor az eredő tér és a test viselkedése csak atomjainak saját mágneses momentumától függ.

A különböző anyagok viselkedése mágneses szempontból a mágneses momentum két összetevőjének arányától és irányától függ. Ha a spin- és a pályamomentum semlegesíti egymást, akkor diamágnesről beszélünk. Diamágnes a legtöbb nemfémes anyag (pl. az üveg), valamint pl. a réz, arany, ezüst, cink, higany, germánium és ólom. Ezek nem viselkednek mágnesként.

Egyes anyagokban a kétféle mágneses momentum (a spin és a pályamomentum) nem semlegesíti egymást teljesen. Ez azt jelenti, hogy az anyag minden atomjának van némi mágneses momentuma, azaz mágneses dipólusként viselkedik. Az ilyen próbatest önmagában mégsem mutat mágneses tulajdonságokat, mert az atomok mágneses nyomatékai statisztikailag rendszertelen irányokba mutatnak.

gsz05

Külső mágneses tér hatására azonban a próbatest atomjainak momentumai a tér irányába rendeződnek. Ekkor gyenge mágnesesség, paramágnesesség tapasztalható.

gsz06

Paramágneses anyag az oxigén, a nátrium, a kálium, az alumínium, a szilícium, az ón és a mangán.

A harmadik anyagfajta a ferromágneses nevet kapta. A ferromágnesség abban különbözik az előző két népségtől, hogy az említett nyomatékok nem rendszertelen irányításúak, hanem nagyszámú szomszédos atom momentuma egymással párhuzamos. Egy-egy ilyen párhuzamos momentumú atomcsoport elemi tartományt alkot. Az ilyen egyformán mágnesezett elemi tartományokat doméneknek nevezzük. Külső mágneses tér nélkül a domének momentumainak irányítottságát spontán mágnesezettségnek hívjuk. Ennek hatása azért nem érzékelhető, mert noha egy-egy doménen belül a mágneses momentumok azonos irányúak, a domének összességének momentumai statisztikailag rendszertelen irányításúak, és így az egyes spontán mágnesezettségek semlegesítik egymást. Két, különbözően mágnesezett domén határán az egyik irányból a másikba való átmenet nem ugrásszerű, hanem folytonos, és a szomszédos tartományokat elválasztó határrétegben megy végbe. Ennek a határrétegnek is van neve, ő a Bloch-féle fal. Szélessége kb. 0,1µm. A mágnesezési vektor a határrétegen belül csavarszerű "mozgást" végezve fordul el az egyik irányból az ellentétesbe.

gsz08

Most következik az, aminek már nagyon lényeges gyakorlati jelentősége van, s amiért az eddigieket meg kellene emésztened. Ugyanis a még ártatlan, ferromágneses testet nulláról egyre növekvő mágneses térbe tesszük, felmágnesezzük. A következő ábrán H-val a mágneses térerő, B-vel a testben keletkező mágneses indukciót jelölték (lásd ismét a sorozat 17. részét).

gsz09

Az első felmágnesezés folyamatát a vastag, fekete vonal mutatja, ezt szűzgörbének hívják. A szűzgörbe első szakaszán a doménfalak eltolódásának hatására a spontán mágnesezettségek statisztikus eloszlása megszűnik. A második – legmeredekebb – görbeszakaszon a domének mágneses dipólusai másik helyzetbe fordulnak át. Az átfordulás ebbe az új helyzetbe nem folyamatosan, hanem ugrásszerűen megy végbe.

gsz10

Ezt úgy mutatjuk ki, hogy mágneses rudat indukciós tekerccsel veszünk körül, és az ugrásszerű átfordulások okozta feszültséglökéseket felerősítve, hallhatóvá tesszük. A következő videóban a térerősség növekedésekor sistergést hallunk. Az említett ugrásokat Barkhausen-ugrásoknak nevezzük, a jelenség a Barkhausen-effektus vagy a Barkhausen-zaj.

A Barkhausen-effektus felfedezőjéről még bélyeget is adtak ki a néhai Német Demokratikus Köztársaságban.

gsz11

A szűzgörbe harmadik szakaszán minden domén mágneses momentuma a külső mágneses tér irányába áll be, amíg ki nem alakul a teljes irányítottság, a telítettség állapota. A térerősség további növelésekor majdnem minden domén befordul a külső tér irányába, telítődésről beszélünk. A kialakuló telítési mágnesezettség megegyezik az egyes domének adott hőmérséklethez tartozó spontán telítési mágnesezettségével.

Amikor csökkenteni kezdjük a külső mágneses tér erősségét, azt tapasztaljuk, hogy ugyan a mágneses dipólusok visszafordulnak az eredeti helyzetükbe, de a mágnesezettség nem a szűzgörbe mentén csökken, és amikor megszűnik a külső térerő, még mindig jelentős a mágneses polarizáció, mágneses hatás. A visszamaradt mágnesességet remanenciának nevezik. Ahhoz, hogy ez a mágnesesség megszűnjön, az ellenkező, negatív irányba kell növelni a térerőt. Azt a térerősségértéket, ahol ez bekövetkezik koercitív erőnek hívjuk. Az eredetivel ellenkező irányú térerősséget tovább növelve eljutunk egy újabb telítési értékhez. Amennyiben innen csökkentjük a térerősséget, akkor a nulla térerősséghez szintén maradék indukcióérték fog tartozni. A nulla indukcióérték eléréséhez ismét meg kell fordítanunk a térerősség irányát, és megint a koercitív erő segít. Majd újra telítésbe vihetjük. A leírt folyamatot az anyag teljes átmágnesezésének, a folyamatot leíró görbét pedig hiszterézisgörbének, a belsejét hiszterézishuroknak nevezzük.

gsz12

Ha idáig elvergődtél, a hiszterézisgörbét megvizsgálva, felmerülhet benned, hogy hogyan tudunk egy felmágnesezett ferromágneses anyagot lemágnesezni, hiszen a görbének nincs olyan pontja, ahol a nulla térerősséghez (H = 0) nulla indukció (B = 0) tartozna. A Vesta-szűzek idején még nem volt mód a szűzhártya visszaragasztására, ezért ha kiderült, hogy a szűz a 30 évig tartó szolgálata során nemcsak titokban masztizott, indulhatott is éhen halni szegény. Napjainkban a plasztikai sebészek jó pénzért egy kb. fél óráig tartó rutinműtéttel megoldják a problémát.

gsz13

Az anyag fizikai szerkezetének legalapvetőbb mozgása a hőmozgás, ami csak az abszolút nulla fokon, 0 K hőmérsékleten szűnne meg. A hőmozgás nagyon rendezetlen mozgás. Minél magasabb a hőmérséklet, annál jobban zsizsegnek az anyagi részecskék, annál jobban akadályozzák a domének rendezettségét. A ferromágneses anyagokat melegítve, van egy olyan hőfok, amikor a hőmozgás már akkora, hogy tönkre teszi, megszünteti a doménok rendezettségét. Ez a hőmérséklet a G-pont… Ja, nem. Szóval, azt a hőfokot, amelyen a ferromágnes paramágnessé szelídül, elvileg teljesen lemágneseződik, Curie-pontnak, Curie-hőmérsékletnek nevezzük. Hurrá! Csakhogy nem mindig célszerű felhevíteni a ferromágnest, van egy másik megoldás is. Kiderült, hogy amennyiben folyamatosan csökkenő, ellentétes irányú térerősséggel masszírozzuk a ferromágnest, akkor a hiszterézishurok egyre inkább össze fog menni, míg végül a térerősséget nullára csökkentve, nulla lesz az indukció is.

gsz14

A hiszterézisgörbe alakja alapján kétféle ferromágneses anyagcsoportot különböztetünk meg. Ha a mágneses remanencia és koercitív erő nagy, akkor dundi hiszterézishurkot kapjuk. Az ilyen anyagokat kemény mágneses anyagoknak nevezzük. A kemény mágneses anyagok kiválóan alkalmasak állandó mágnesek készítésére. A nagy maradék indukciójuk miatt erős mágnesek készíthetők belőlük, a nagy koercitív erő miatt pedig ellenállóak a külső mágneses térrel szemben. A sovány hiszterézishurkú ferromágneseket lágy mágneses anyagoknak nevezzük. Lágy mágneses anyagokat könnyen – kis energia befektetéssel – tudunk átmágnesezni, ezért ott célszerű alkalmazni őket, ahol az átmágnesezés gyakori. A lágy mágneses anyagok általában nagyobb indukcióértéken telítődnek.

gsz15

A felmágnesezett ferromágneses anyagok mágneses indukciója, erőssége idővel lecsökken az öregedés, a külső mágneses tér, a hőmérséklet vagy mechanikai és kémiai rongálás hatására.