Рассмотрим основные области применения ферромагнетиков, а также особенности их классификации. Начнем с того, что ферромагнетиками называют твердые вещества, которые обладают при невысоких температурах неконтролируемой намагниченностью. Она меняется под воздействием деформации, магнитного поля, температурных колебаний.
Свойства ферромагнетиков
Применение ферромагнетиков в технике объясняется их физическими свойствами. Они обладают магнитной проницаемостью, которая превышает во много раз проницаемость вакуума. В связи с этим все электротехнические устройства, в которых используются магнитные поля для преобразования одного вида энергии в другой, имеют специальные элементы, выполненные из ферромагнитного материала, способного проводить магнитный поток.
Особенности ферромагнетиков
Какими отличительными характеристиками обладают ферромагнетики? Свойства и применение этих веществ объясняется особенностями внутреннего строения. Существует прямая зависимость между магнитными свойствами вещества и элементарными носителями магнетизма, в роли которых выступают электроны, движущиеся внутри атома.
Во время движения по круговым орбитам они создают элементарные токи и магнитные диполи, имеющие магнитный момент. Его направление определяется по правилу буравчика. Магнитный момент тела является геометрической суммой всех частей. Помимо вращения по круговым орбитам, электроны также движутся вокруг собственных осей, создавая спиновые моменты. Именно они выполняют важную функцию в процессе намагничивания ферромагнетиков.
Практическое применение ферромагнетиков связано с образованием в них самопроизвольных намагниченных областей, у которых параллельная ориентация спиновых моментов. Если ферромагнетик на располагается во внешнем поле, в таком случае отдельные магнитные моменты имеют разные направления, их сумма равна нулю и отсутствует свойство намагниченности.
Отличительные черты ферромагнетиков
Если парамагнетики связаны со свойствами отдельных молекул или атомов вещества, то ферромагнитные свойства можно объяснить спецификой кристаллического строения. Например, в парообразном состоянии атомы железа незначительно диамагнитны, а в твердом состоянии этот металл является ферромагнетиком. В результате лабораторных исследований была выявлена зависимость между температурой и ферромагнитными свойствами.
Например, в сплаве Гойслера, сходном по магнитным свойствам с железом, данного металла нет. При достижении точки Кюри (определенного значения температуры) ферромагнитные свойства исчезают.
Среди их отличительных характеристик можно выделить не только высокое значение магнитной проницаемости, но и связь между напряженностью поля и намагниченностью.
Взаимодействие магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика способствует созданию мощных внутренних магнитных полей, которые выстраиваются параллельно друг другу. Мощное внешнее поле приводит к изменению ориентации, что и приводит к усилению магнитных свойств.
Природа ферромагнетиков
Учеными была установлена спиновая природа ферромагнетизма. При распределении электронов по энергетическим слоям учитывается принцип запрета Паули. Суть его в том, что на каждом слое может находиться только их определенное количество. Результирующие значения орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов, располагающихся на заполненной полностью оболочке, равны нулю.
Химические элементы, имеющие ферромагнитные свойства (никель, кобальт, железо), являются переходными элементами таблицы Менделеева. В их атомах происходит нарушение алгоритма заполнения электронами оболочек. Сначала они попадают на верхний слой (s-орбиталь), и только после его полного заполнения электроны попадают на оболочку, расположенную ниже (d-орбиталь).
Масштабное применение ферромагнетиков, основным из которых является железо, объясняется изменением строения при попадании во внешнее магнитное поле.
Подобными свойствами могут обладать только те вещества, в атомах которых существуют внутренние недостроенные оболочки. Но и этого условия недостаточно для того, чтобы вести речь о ферромагнитных характеристиках. Например, у хрома, марганца, платины также существуют недостроенные оболочки внутри атомов, но они являются парамагнетиками. Возникновение самопроизвольной намагниченности объясняется особым квантовым действием, которое сложно пояснить с помощью классической физики.
Подразделение
Существует условное подразделение таких материалов на два типа: жесткие и мягкие ферромагнетики. Применение жестких материалов связано с изготовлением магнитных дисков, лент для хранения информации. Мягкие ферромагнетики незаменимы при создании электромагнитов, сердечников трансформаторов. Отличия между двумя видами объясняются особенностями химического строения данных веществ.
Особенности использования
Рассмотрим подробнее некоторые примеры применения ферромагнетиков в разнообразных отраслях современной техники. Магнитомягкие материалы применяют в электротехнике для создания электрических моторов, трансформаторов, генераторов. Кроме того, важно отметить применение ферромагнетиков такого типа в радиосвязи и слоботочной технике.
Жесткие виды нужны для создания постоянных магнитов. В случае выключения внешнего поля у ферромагнетиков сохраняются свойства, поскольку не исчезает ориентация элементарных токов.
Именно это свойство объясняет применение ферромагнетиков. Кратко можно сказать, что такие материалы являются основой современной техники.
Постоянные магниты нужны при создании электрических измерительных приборов, телефонов, громкоговорителей, магнитных компасов, звукозаписывающих аппаратов.
Ферриты
Рассматривая применение ферромагнетиков, необходимо особое внимание уделить ферритам. Они широко распространены в высокочастотной радиотехнике, поскольку сочетают свойства полупроводников и ферромагнетиков. Именно из ферритов в настоящее время изготавливают магнитные ленты и пленки, сердечники катушек индуктивности, диски. Ими являются оксиды железа, находящиеся в природе.
Интересные факты
Интерес представляет применение ферромагнетиков в электрических машинах, а также в технологии записи в винчестере. Современные исследования свидетельствуют о том, что при определенных температурах некоторые ферромагнетики могут приобретать парамагнетические характеристики. Именно поэтому эти вещества считаются плохо изученными и представляют для физиков особый интерес.
Стальной сердечник способен в несколько раз увеличить магнитное поле, не меняя при этом силу тока.
Применение ферромагнетиков позволяет существенно экономить электрическую энергию. Именно поэтому для сердечников генераторов, трансформаторов, электрических двигателей применяют материалы, обладающие ферромагнитными свойствами.
Магнитный гистерезис
Это явление зависимости напряженности магнитного поля и вектора намагниченности от внешнего поля. Проявляется данное свойство в ферромагнетиках, а также в сплавах, изготовленных из железа, никеля, кобальта. Подобное явление наблюдается не только в случае изменения поля по направлению и величине, но и в случае его вращения.
Проницаемость
Магнитной проницаемостью является физическая величина, которая показывает отношение индукции в определенной среде к показателю в вакууме. Если вещество создает свое магнитное поле, его считают намагниченным. Согласно гипотезе Ампера, величина свойств зависит от орбитального движения «свободных» электронов в атоме.
Петля гистерезиса представляет собой кривую зависимости изменения размера намагниченности ферромагнетика, расположенного во внешнем поле от изменения размера индукции. Для полного размагничивания используемого тела нужно поменять направление внешнего магнитного поля.
При определенной величине магнитной индукции, которую называют коэрцитивной силой, намагниченность образца принимает нулевое значение.
Именно форма петли гистерезиса и величина коэрцитивной силы определяют способность вещества сохранять частичное намагничивание, объясняют широкое применение ферромагнетиков. Кратко области применения жестких ферромагнетиков, обладающих широкой петлей гистерезиса, описаны выше. Вольфрамовые, углеродистые, алюминиевые, хромовые стали имеют большую коэрцитивную силу, поэтому на их основе создают постоянные магниты разнообразной формы: полосовые, подковообразные.
Среди мягких материалов, имеющих небольшую коэрцитивную силу, отметим железные руды, а также сплавы железа с никелем.
Процесс перемагничивания ферромагнетиков связан с изменением области самопроизвольного намагничивания. Для этого используется работа, которая совершается внешним полем. Количество теплоты, образующейся в этом случае, пропорционально площади петли гистерезиса.
Заключение
В настоящее время во всех отраслях техники активно применяют вещества, обладающие ферромагнитными свойствами. Помимо существенной экономии энергетических ресурсов, благодаря применению подобных веществ можно упрощать технологические процессы.
Например, вооружившись мощными постоянными магнитами, можно существенно упростить процесс создания транспортных средств. Мощные электромагниты, применяемые в настоящее время на отечественных и зарубежных автомобильных комбинатах, позволяют полностью автоматизировать самые трудоемкие технологические процессы, а также существенно ускорить процесс сборки новых транспортных средств.
В радиотехнике ферромагнетики позволяют получать приборы высочайшего качества и точности.
Ученым удалось создать одношаговую методику изготовления магнитных наночастиц, которые подходят для применения в медицине и электронике.
В результате многочисленных исследований, проводимых в лучших исследовательских лабораториях, удалось установить магнитные свойства наночастиц кобальта и железа, покрытых тонким слоем золота. Уже подтверждена их способность переносить антираковое лекарство или атомы радионуклидов в нужную часть организма человека, увеличивать контрастность изображений магнитного резонанса.
Кроме того, такие частицы можно использовать для модернизации устройств магнитной памяти, что станет новым шагом в создании инновационной медицинской техники.
Коллективу российских ученых удалось разработать и апробировать методику восстановления водных растворов хлоридов для получения комбинированных кобальто-железных наночастиц, подходящих для создания материалов с усовершенствованными магнитными характеристиками. Все исследования, проводимые учеными, направлены на повышение ферромагнитных свойств веществ, увеличение их процентного использования в производстве.
