Ферромагнетики - что это такое: суть, особенности и применение
Ферромагнетики - удивительные материалы, способные многократно усиливать магнитное поле. Благодаря этому свойству они нашли широкое применение в самых разных областях науки и техники.
Понятие ферромагнетизма
Ферромагнетики это вещества, которые в отличие от других типов магнитных материалов, таких как диамагнетики и парамагнетики, способны самопроизвольно намагничиваться и сохранять намагниченность после снятия внешнего магнитного поля. Это свойство называется спонтанной намагниченностью.
Физической основой ферромагнетизма является квантовомеханический эффект, при котором спины электронов в атомах упорядочиваются параллельно друг другу. Это приводит к тому, что атомы приобретают собственные постоянные магнитные моменты, которые взаимодействуют между собой посредством обменных сил.
Явление ферромагнетизма было открыто в начале XIX века французским физиком Франсуа Араго и независимо от него - английским ученым Майклом Фарадеем. Официально термин "ферромагнетизм" предложил физик Пьер Кюри в 1895 году.
Ферромагнетики - это материалы, которые намагничиваются под действием магнитного поля и сохраняют остаточную намагниченность после прекращения действия поля.
Характерные свойства ферромагнетиков
К основным отличительным свойствам ферромагнетиков относят:
- Спонтанная намагниченность
- Высокая магнитная проницаемость
- Наличие температуры Кюри
- Ферромагнитное упорядочение
- Намагниченность насыщения
- Гистерезис
- Доменная структура
Рассмотрим некоторые из этих свойств подробнее.
Спонтанная намагниченность - это самопроизвольное намагничивание ферромагнетика без приложения внешнего магнитного поля. Это одно из главных отличий ферромагнетиков от других магнитных материалов.
Следующей важной характеристикой ферромагнетиков является их высокая магнитная проницаемость. Это свойство показывает, во сколько раз ферромагнетик усиливает внешнее магнитное поле по сравнению с вакуумом. У хороших ферромагнетиков это значение может достигать 100000!
Характерные свойства ферромагнетиков
Еще одним важным свойством ферромагнетиков является наличие температуры Кюри - это та критическая температура, выше которой ферромагнитные свойства материала исчезают. При нагреве выше этой точки происходит разрушение упорядоченного состояния магнитных моментов и вещество становится парамагнетиком.
Также для ферромагнетиков характерно ферромагнитное упорядочение - параллельная ориентация магнитных моментов атомов, которая и обеспечивает спонтанную намагниченность этих материалов:
- Намагниченность насыщения. При увеличении напряженности внешнего магнитного поля, действующего на ферромагнетик, его намагниченность растет, пока не достигнет максимального значения. Это значение называется намагниченностью насыщения.
- Гистерезис. Другой особенностью ферромагнетиков является гистерезис - запаздывание изменения намагниченности при изменении внешнего магнитного поля. Из-за этого свойства ферромагнетики можно использовать для создания постоянных магнитов.
- Доменная структура. Внутри ферромагнетиков существуют области - домены, которые имеют однородную намагниченность. Намагниченность разных доменов может быть направлена по-разному, что в сумме компенсирует общий магнитный момент образца.
Примеры ферромагнетиков
Типичными представителями ферромагнетиков являются переходные металлы - железо, никель, кобальт и их сплавы. Кроме этого существуют и другие какие вещества ферромагнетики - например, редкоземельные металлы, ферриты, магнитные полупроводники:
- Железо. Наиболее распространенным и важным ферромагнетиком является железо. Оно широко используется в виде стали и различных сплавов благодаря высокой намагниченности насыщения, низкой цене и разнообразию механических свойств.
- Никель и кобальт. Помимо железа, ферромагнитные свойства проявляют также никель и кобальт. Эти металлы часто используются в магнитных сплавах для улучшения их характеристик.
- Редкоземельные металлы К ферромагнетикам относятся и некоторые редкоземельные металлы, такие как гадолиний, диспрозий, тербий и другие. Их соединения применяются в постоянных магнитах.
- Ферриты. Особую группу ферромагнетиков представляют ферриты - химические соединения на основе оксидов железа и других металлов. Они обладают одновременно ферромагнитными и полупроводниковыми свойствами.
- Магнитные полупроводники. Среди ферромагнетиков есть и магнитные полупроводники, такие как оксид хрома(IV), ионные соединения EuO, EuS и другие. Их отличает наличие одновременно магнитных и полупроводниковых свойств.
Классификация ферромагнетиков
В зависимости от свойств и особенностей применения ферромагнетики можно классифицировать следующим образом:
- По магнитным свойствам. По этому признаку выделяют магнитомягкие и магнитожесткие ферромагнетики. Первые легко намагничиваются и размагничиваются, вторые сохраняют остаточную намагниченность.
- По структуре. Здесь различают кристаллические и аморфные ферромагнетики. У аморфных структура неупорядоченная, но они могут обладать уникальными магнитными свойствами.
- По химическому составу. По этому признаку выделяют ферромагнитные металлы (Fe, Ni, Co и сплавы на их основе) и ферриты - сложные оксиды железа и других элементов.
- По температуре Кюри. Здесь различают низкотемпературные (с точкой Кюри ниже комнатной температуры) и высокотемпературные ферромагнетики, сохраняющие свойства при нагреве.
Применение ферромагнетиков
Благодаря своим уникальным магнитным свойствам ферромагнетики нашли широкое применение в различных областях.
Электротехника и электроника
В этих областях ферромагнетики используются для изготовления:
- Трансформаторов
- Электрических машин и двигателей
- Магнитных усилителей сигналов
- Запоминающих устройств (жесткие диски, ленты, карты памяти)
Радиотехника
Здесь ферромагнетики применяют для создания катушек индуктивности, антенн, радиоприемников и передатчиков.
Вычислительная техника
В компьютерах и других устройствах обработки данных используются ферромагнитные материалы для хранения информации и изготовления микросхем.
Энергетика
В энергетической отрасли ферромагнетики применяются в электрогенераторах для выработки электроэнергии.