Львів
C
» » Властивості і застосування феромагнетиків

Властивості і застосування феромагнетиків

Розглянемо основні області застосування феромагнетиків, а також особливості їх класифікації. Почнемо з того, що ферромагнетиками називають тверді речовини, які мають при невисоких температурах неконтрольованої намагніченістю. Вона змінюється під впливом деформації, магнітного поля, температурних коливань.

Властивості феромагнетиків

Застосування феромагнетиків в техніці пояснюється їх фізичними властивостями. Вони володіють магнітною проникністю, яка перевищує в багато разів проникність вакууму. У зв'язку з цим всі електротехнічні пристрої, в яких використовуються магнітні поля для перетворення одного виду енергії в інший, мають спеціальні елементи, виконані з феромагнітного матеріалу, здатного проводити магнітний потік.


Властивості і застосування феромагнетиків

Особливості феромагнетиків

Якими відмінними характеристиками володіють феромагнетики? Властивості і застосування цих речовин пояснюється особливостями внутрішньої будови. Існує пряма залежність між магнітними властивості речовини і елементарними носіями магнетизму, в ролі яких виступають електрони, що рухаються усередині атома. Під час руху по кругових орбітах вони створюють елементарні струми і магнітні диполі, які мають магнітний момент. Його напрямок визначається за правилом буравчика. Магнітний момент тіла є геометричною сумою всіх частин. Крім обертання по кругових орбітах, електрони також рухаються навколо власних осей, створюючи спінові моменти. Саме вони виконують важливу функцію в процесі намагнічування феромагнетиків.


Практичне застосування феромагнетиків пов'язано з утворенням в них мимовільних намагнічених областей, у яких паралельна орієнтація спінових моментів. Якщо феромагнетик на розташовується в зовнішньому полі, в такому випадку окремі магнітні моменти мають різні напрямки, їх сума дорівнює нулю і відсутня властивість намагніченості.
Властивості і застосування феромагнетиків

Відмінні риси феромагнетиків

Якщо парамагнетики пов'язані з властивостями окремих молекул або атомів речовини, феромагнітні властивості можна пояснити специфікою кристалічної будови. Наприклад, у пароподібному стані атоми заліза незначно диамагнитны, а в твердому стані цей метал є феромагнетиком. В результаті лабораторних досліджень була виявлена залежність між температурою і феромагнітними властивостями. Наприклад, сплав Гойслера, подібному з магнітним властивостям з залізом, даного металу немає. При досягненні точки Кюрі (певного значення температури) феромагнітні властивості зникають. Серед відмінних характеристик можна виділити не тільки високе значення магнітної проникності, а й зв'язок між напруженістю поля і намагніченістю. Взаємодія магнітних моментів окремих атомів ферромагнетика сприяє створенню потужних внутрішніх магнітних полів, які шикуються паралельно один одному. Потужне зовнішнє поле призводить до зміни орієнтації, що і призводить до посилення магнітних властивостей.
Властивості і застосування феромагнетиків

Природа феромагнетиків

Вченими було встановлено спінова природа ферромагнетизма. При розподілі електронів по енергетичним верствам враховується принцип заборони Паулі. Суть його в тому, що на кожному шарі може перебувати лише їх певну кількість. Результуючі значення орбітальних і спінових магнітних моментів всіх електронів, розташованих на заповненій повністю оболонці, дорівнюють нулю.
Хімічні елементи, що мають феромагнітні властивості (нікель, кобальт, залізо), є перехідними елементами таблиці Менделєєва. В їх атомах відбувається порушення алгоритму заповнення електронами оболонок. Спочатку вони потрапляють на верхній шар (s-орбіталь), і тільки після його повного заповнення електрони потрапляють на оболонку, розташовану нижче (d-орбіталь). Масштабне застосування феромагнетиків, основним з яких є залізо, пояснюється зміною будови при попаданні в зовнішнє магнітне поле. Подібними властивостями можуть володіти тільки ті речовини, в атомах яких існують внутрішні недобудовані оболонки. Але цієї умови недостатньо для того, щоб вести мову про феромагнітних характеристиках. Наприклад, хрому, марганцю, платини також існують недобудовані оболонки всередині атомів, але вони є парамагнетиками. Виникнення мимовільної намагніченості пояснюється особливим квантовим дією, яке складно пояснити з допомогою класичної фізики.
Властивості і застосування феромагнетиків

Підрозділ

Існує умовний підрозділ таких матеріалів на два типи: жорсткі і м'які феромагнетики. Застосування жорстких матеріалів пов'язано з виготовленням магнітних дисків, стрічок для зберігання інформації. М'які феромагнетики незамінні при створенні електромагнітів, сердечників трансформаторів. Відмінності між двома видами пояснюються особливостями хімічної будови цих речовин.

Особливості використання

Розглянемо докладніше деякі приклади застосування феромагнетиків в різноманітних галузях сучасної техніки. Магнитом'які матеріали застосовують в електротехніці для створення електричних двигунів, трансформаторів, генераторів. Крім того, важливо відзначити застосування феромагнетиків такого типу в радіозв'язку та слоботочной техніці.
Жорсткі види потрібні для створення постійних магнітів. У разі вимкнення зовнішнього поля у феромагнетиків зберігаються властивості, оскільки не зникає орієнтація елементарних струмів. Саме це властивість пояснює застосування феромагнетиків. Коротко можна сказати, що такі матеріали є основою сучасної техніки. Постійні магніти потрібні при створенні електричних вимірювальних приладів, телефонів, гучномовців, магнітних компасів, звукозаписних апаратів.
Властивості і застосування феромагнетиків

Ферити

Розглядаючи застосування феромагнетиків, необхідно особливу увагу приділити ферритам. Вони широко поширені в високочастотної радіотехніці, оскільки поєднують властивості напівпровідників і феромагнетиків. Саме з феритів в даний час виготовляють магнітні стрічки і плівки, сердечники котушок індуктивності, диски. Ними є оксиди заліза, що знаходяться в природі.

Цікаві факти

Інтерес представляє застосування феромагнетиків в електричних машинах, а також в технології запису в вінчестері. Сучасні дослідження свідчать про те, що при певних температурах деякі феромагнетики можуть набувати парамагнетические характеристики. Саме тому ці речовини вважаються погано вивченими і представляють для фізиків особливий інтерес. Сталевий сердечник здатний у декілька разів збільшити магнітне поле, не змінюючи при цьому силу струму. Застосування феромагнетиків дозволяє істотно економити електричну енергію. Саме тому для сердечників генераторів, трансформаторів, електричних двигунів застосовують матеріали, що володіють феромагнітними властивостями.

Магнітний гістерезис

Це явище залежності напруженості магнітного поля та вектора намагніченості від зовнішнього поля. Проявляється властивість у ферромагнетиках, а також у сплавах, виготовлених із заліза, нікелю, кобальту. Подібне явище спостерігається не тільки у разі зміни поля за напрямком і величиною, але й в разі його обертання.
Властивості і застосування феромагнетиків

Проникність

Магнітною проникністю є фізична величина, яка показує відношення індукції в певному середовищі до показника у вакуумі. Якщо речовина створює своє магнітне поле, його вважають намагніченим. Згідно з гіпотезою Ампера, величина властивостей залежить від орбітального руху «вільних» електронів в атомі. Петля гістерезису являє собою криву залежності зміни розміру намагніченості феромагнетика, розташованого у зовнішньому полі від зміни розміру індукції. Для повного розмагнічування використовуваного тіла потрібно поміняти напрям зовнішнього магнітного поля. При певній величині магнітної індукції, яку називають коэрцитивной силою, намагніченість зразка приймає нульове значення. Саме форма петлі гистерезиса і величина коерцитивної сили визначають здатність речовини зберігати часткове намагнічування, пояснюють широке застосування феромагнетиків. Коротко області застосування жорстких феромагнетиків, що володіють широкою петлею гістерезису, описані вище. Вольфрамові, вуглецеві, алюмінієві, хромові сталі мають велику коерцитивну силу, тому на їх основі створюють постійні магніти різноманітної форми: смугові, підковоподібні. Серед м'яких матеріалів, що мають невелику коерцитивну силу, зазначимо залізні руди, а також сплави заліза з нікелем. Процес перемагнічування ферромагнетиків пов'язаний зі зміною області мимовільного намагнічування. Для цього використовується робота, яка здійснюється зовнішнім полем. Кількість теплоти, що утворюється в цьому випадку, пропорційно площі петлі гістерезису.
Властивості і застосування феромагнетиків

Висновок

В даний час у всіх галузях техніки активно застосовують речовини, що володіють феромагнітними властивостями. Крім суттєвої економії енергетичних ресурсів, завдяки застосуванню таких речовин можна спрощувати технологічні процеси. Наприклад, озброївшись потужними постійними магнітами, можна істотно спростити процес створення транспортних засобів. Потужні електромагніти, застосовувані в даний час на вітчизняних і зарубіжних автомобільних комбінатах, дозволяють повністю автоматизувати найбільш трудомісткі технологічні процеси, а також істотно прискорити процес складання нових транспортних засобів. У радіотехніці феромагнетики дозволяють отримувати прилади найвищої якості і точності. Вченим вдалося створити одношаговую методику виготовлення магнітних наночастинок, які підходять для застосування в медицині й електроніці. В результаті численних досліджень, проведених в кращих дослідницьких лабораторіях, вдалося встановити магнітні властивості наночастинок кобальту і заліза, покритих тонким шаром золота. Вже підтверджена їхня здатність переносити антиракову ліки або атоми радіонуклідів в потрібну частину організму людини, збільшувати контраст зображень магнітного резонансу. Крім того, такі частинки можна використовувати для модернізації пристроїв магнітної пам'яті, що стане новим кроком у створенні інноваційної медичної техніки. Колективу російських вчених вдалося розробити і апробувати методику відновлення водних розчинів хлоридів для отримання комбінованих кобальто-залізних наночастинок, придатних для створення матеріалів з удосконаленими магнітними характеристиками. Всі дослідження, проведені вченими, спрямовані на підвищення феромагнітних властивостей речовин, збільшення їх відсоткового використання у виробництві.