Rozważmy główne obszary zastosowań ferromagnetyków, a także cechy ich klasyfikacji. Zacznijmy od tego, że ferromagnesy nazywane są ciałami stałymi, które mają niekontrolowane namagnesowanie w niskich temperaturach. Zmienia się pod wpływem deformacji, pola magnetycznego, wahań temperatury.
Właściwości ferromagnetyków
Zastosowanie ferromagnesów w technologii tłumaczy się ich właściwościami fizycznymi. Mają przepuszczalność magnetyczną wielokrotnie większą niż próżnia. W związku z tym wszystkie urządzenia elektryczne, które wykorzystują pola magnetyczne do konwersji jednego rodzaju energii na inny, mają specjalne elementy wykonane z materiału ferromagnetycznego zdolnego do przewodzenia strumienia magnetycznego.
Cechy ferromagnetyków
Jakie wyróżniają się ferromagnetyki? Właściwości i zastosowanie tych substancji wyjaśniają osobliwości struktury wewnętrznej. Istnieje bezpośredni związek między właściwościami magnetycznymi materii a elementarnymi nośnikami magnetyzmu, którymi są elektrony poruszające się wewnątrz atomu.
Podczas poruszania się po orbitach kołowych wytwarzają prądy elementarne i magnetycznedipole, które mają moment magnetyczny. Jego kierunek wyznacza reguła świderka. Moment magnetyczny ciała jest sumą geometryczną wszystkich części. Oprócz obracania się po orbitach kołowych, elektrony poruszają się również wokół własnych osi, tworząc momenty spinowe. Pełnią ważną funkcję w procesie magnesowania ferromagnesów.
Praktyczne zastosowanie ferromagnetyków wiąże się z formowaniem się w nich spontanicznie namagnesowanych obszarów o równoległej orientacji momentów spinowych. Jeżeli ferromagnes nie znajduje się w polu zewnętrznym, to poszczególne momenty magnetyczne mają różne kierunki, ich suma wynosi zero i nie ma właściwości namagnesowania.
Cechy charakterystyczne ferromagnetyków
Jeśli paramagnesy są powiązane z właściwościami poszczególnych cząsteczek lub atomów substancji, to właściwości ferromagnetyczne można wytłumaczyć specyfiką struktury krystalicznej. Na przykład w stanie pary atomy żelaza są lekko diamagnetyczne, podczas gdy w stanie stałym metal ten jest ferromagnesem. W wyniku badań laboratoryjnych ujawniono związek między temperaturą a właściwościami ferromagnetycznymi.
Na przykład stop Goislera, podobny pod względem właściwości magnetycznych do żelaza, nie zawiera tego metalu. Po osiągnięciu punktu Curie (określonej wartości temperatury) właściwości ferromagnetyczne zanikają.
Wśród ich charakterystycznych cech można wyróżnić nie tylko wysoką wartość przenikalności magnetycznej, ale także związek między natężeniem pola amagnetyzacja.
Wzajemne oddziaływanie momentów magnetycznych poszczególnych atomów ferromagnesu przyczynia się do powstania silnych wewnętrznych pól magnetycznych, które układają się równolegle do siebie. Silne pole zewnętrzne prowadzi do zmiany orientacji, co prowadzi do wzrostu właściwości magnetycznych.
Charakter ferromagnetyków
Naukowcy ustalili spinowy charakter ferromagnetyzmu. Podczas rozprowadzania elektronów na warstwach energetycznych brana jest pod uwagę zasada wykluczania Pauliego. Jego istotą jest to, że na każdej warstwie może znajdować się tylko określona ich liczba. Wynikowe wartości orbitalnych i spinowych momentów magnetycznych wszystkich elektronów znajdujących się na całkowicie wypełnionej powłoce są równe zeru.
Pierwiastki chemiczne o właściwościach ferromagnetycznych (nikiel, kob alt, żelazo) są pierwiastkami przejściowymi układu okresowego. W ich atomach dochodzi do naruszenia algorytmu wypełniania powłok elektronami. Najpierw wchodzą w górną warstwę (s-orbital), a dopiero po jej całkowitym wypełnieniu elektrony wchodzą do powłoki znajdującej się poniżej (d-orbital).
Wykorzystanie ferromagnetyków na dużą skalę, z których głównym jest żelazo, tłumaczy się zmianą struktury pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.
Podobne właściwości mogą mieć tylko te substancje, w których atomach znajdują się niedokończone wewnętrzne powłoki. Ale nawet ten warunek nie wystarczy, aby mówić o właściwościach ferromagnetycznych. Na przykład chrom, mangan, platyna również mająniedokończone muszle wewnątrz atomów, ale są paramagnetyczne. Pojawienie się samorzutnego namagnesowania tłumaczy się specjalnym działaniem kwantowym, które trudno wytłumaczyć fizyką klasyczną.
Dział
Istnieje warunkowy podział takich materiałów na dwa rodzaje: twarde i miękkie ferromagnesy. Wykorzystanie twardych materiałów wiąże się z produkcją dysków magnetycznych, taśm do przechowywania informacji. Miękkie ferromagnesy są niezbędne przy tworzeniu elektromagnesów, rdzeni transformatorów. Różnice między tymi dwoma gatunkami wyjaśniają osobliwości budowy chemicznej tych substancji.
Cechy użytkowania
Przyjrzyjmy się bliżej przykładom zastosowania ferromagnetyków w różnych gałęziach nowoczesnej technologii. Miękkie materiały magnetyczne są wykorzystywane w elektrotechnice do tworzenia silników elektrycznych, transformatorów, generatorów. Ponadto należy zwrócić uwagę na zastosowanie tego typu ferromagnesów w komunikacji radiowej i technice niskoprądowej.
Do tworzenia magnesów trwałych potrzebne są sztywne typy. Jeśli pole zewnętrzne jest wyłączone, ferromagnesy zachowują swoje właściwości, ponieważ orientacja prądów elementarnych nie zanika.
To właśnie ta właściwość wyjaśnia użycie ferromagnetyków. W skrócie można powiedzieć, że takie materiały to podstawa nowoczesnej technologii.
Magnesy trwałe są potrzebne przy tworzeniu elektrycznych przyrządów pomiarowych, telefonów, głośników, kompasów magnetycznych, rejestratorów dźwięku.
Ferryty
Biorąc pod uwagę zastosowanie ferromagnetyków, należy zwrócić szczególną uwagę na ferryty. Są szeroko stosowane w inżynierii radiowej wysokiej częstotliwości, ponieważ łączą właściwości półprzewodników i ferromagnetyków. To właśnie z ferrytów wykonuje się obecnie taśmy i folie magnetyczne, rdzenie induktorów i dyski. Są to tlenki żelaza występujące w przyrodzie.
Ciekawe fakty
Zainteresowanie budzi zastosowanie ferromagnetyków w maszynach elektrycznych, a także w technologii zapisu na dysku twardym. Współczesne badania wskazują, że w określonych temperaturach niektóre ferromagnetyki mogą nabyć właściwości paramagnetyczne. Dlatego te substancje są uważane za słabo poznane i są szczególnie interesujące dla fizyków.
Stalowy rdzeń jest w stanie kilkakrotnie zwiększyć pole magnetyczne bez zmiany natężenia prądu.
Zastosowanie ferromagnetyków może znacznie zaoszczędzić energię elektryczną. Dlatego na rdzenie generatorów, transformatorów, silników elektrycznych stosuje się materiały o właściwościach ferromagnetycznych.
Histereza magnetyczna
Jest to zjawisko zależności natężenia pola magnetycznego i wektora namagnesowania od pola zewnętrznego. Ta właściwość przejawia się w ferromagnetykach, a także w stopach żelaza, niklu, kob altu. Podobne zjawisko obserwuje się nie tylko w przypadku zmiany kierunku i wielkości pola, ale także w przypadku jego rotacji.
Przepuszczalność
Przepuszczalność magnetyczna to wielkość fizyczna, która pokazuje stosunek indukcji w określonym medium do indukcji w próżni. Jeśli substancja wytwarza własne pole magnetyczne, jest uważana za namagnesowaną. Zgodnie z hipotezą Ampère'a wartość właściwości zależy od ruchu orbitalnego „swobodnych” elektronów w atomie.
Pętla histerezy jest krzywą zależności zmiany wielkości namagnesowania ferromagnetyka znajdującego się w polu zewnętrznym od zmiany wielkości indukcji. Aby całkowicie rozmagnesować zużyty korpus, należy zmienić kierunek zewnętrznego pola magnetycznego.
Przy pewnej wartości indukcji magnetycznej, zwanej siłą koercji, namagnesowanie próbki wynosi zero.
To kształt pętli histerezy i wielkość siły koercji określają zdolność substancji do utrzymywania częściowego namagnesowania, wyjaśniają powszechne stosowanie ferromagnetyków. W skrócie, powyżej opisano obszary zastosowań twardych ferromagnetyków z szeroką pętlą histerezy. Stale wolframowe, węglowe, aluminiowe, chromowe mają dużą siłę koercji, dlatego na ich podstawie powstają magnesy trwałe o różnych kształtach: taśma, podkowa.
Wśród miękkich materiałów o niewielkiej sile koercji zwracamy uwagę na rudy żelaza, a także stopy żelaza i niklu.
Proces odwrócenia namagnesowania ferromagnesów jest związany ze zmianą obszaru namagnesowania spontanicznego. W tym celu wykorzystywana jest praca wykonana przez pole zewnętrzne. Ilośćciepło generowane w tym przypadku jest proporcjonalne do powierzchni pętli histerezy.
Wniosek
Obecnie we wszystkich gałęziach technologii aktywnie wykorzystywane są substancje o właściwościach ferromagnetycznych. Oprócz znacznych oszczędności w zasobach energetycznych, stosowanie takich substancji może uprościć procesy technologiczne.
Na przykład, uzbrojony w silne magnesy trwałe, możesz znacznie uprościć proces tworzenia pojazdów. Mocne elektromagnesy, stosowane obecnie w krajowych i zagranicznych zakładach samochodowych, pozwalają w pełni zautomatyzować najbardziej pracochłonne procesy technologiczne, a także znacznie przyspieszyć proces montażu nowych pojazdów.
W radiotechnice ferromagnesy umożliwiają uzyskanie urządzeń o najwyższej jakości i dokładności.
Naukowcy odnieśli sukces w stworzeniu jednoetapowej metody wytwarzania magnetycznych nanocząstek odpowiednich do zastosowań w medycynie i elektronice.
W wyniku licznych badań przeprowadzonych w najlepszych laboratoriach badawczych udało się ustalić właściwości magnetyczne nanocząstek kob altu i żelaza pokrytych cienką warstwą złota. Potwierdzono już ich zdolność do przenoszenia leków przeciwnowotworowych lub atomów radionuklidów do prawej części ludzkiego ciała i zwiększania kontrastu obrazów rezonansu magnetycznego.
Ponadto takie cząsteczki można wykorzystać do modernizacji urządzeń pamięci magnetycznej, co będzie nowym krokiem w tworzeniu innowacyjnegotechnologia medyczna.
Zespół rosyjskich naukowców zdołał opracować i przetestować metodę redukcji wodnych roztworów chlorków w celu uzyskania połączonych nanocząstek kob altowo-żelazowych odpowiednich do tworzenia materiałów o ulepszonych właściwościach magnetycznych. Wszystkie badania prowadzone przez naukowców mają na celu poprawę właściwości ferromagnetycznych substancji, zwiększenie ich procentowego wykorzystania w produkcji.
