Panagrinėkime pagrindines feromagnetų taikymo sritis, taip pat jų klasifikavimo ypatybes. Pradėkime nuo to, kad feromagnetai vadinami kietosiomis medžiagomis, kurių įmagnetinimas žemoje temperatūroje yra nekontroliuojamas. Ji keičiasi veikiant deformacijai, magnetiniam laukui, temperatūros svyravimams.
Feromagnetų savybės
Feromagnetų naudojimas technologijose paaiškinamas jų fizinėmis savybėmis. Jų magnetinis pralaidumas yra daug kartų didesnis nei vakuumo. Šiuo atžvilgiu visi elektriniai prietaisai, kurie naudoja magnetinius laukus, kad vienos rūšies energiją paverstų kita, turi specialius elementus, pagamintus iš feromagnetinės medžiagos, galinčios praleisti magnetinį srautą.
Feromagnetų savybės
Kokios skiriamosios feromagnetų savybės? Šių medžiagų savybės ir panaudojimas paaiškinamos vidinės sandaros ypatumais. Yra tiesioginis ryšys tarp medžiagos magnetinių savybių ir elementarių magnetizmo nešėjų – elektronų, judančių atomo viduje.
Judėdami apskritimo orbitomis jie sukuria elementarias sroves ir magnetinesdipoliai, turintys magnetinį momentą. Jo kryptis nustatoma pagal gimlet taisyklę. Kūno magnetinis momentas yra visų dalių geometrinė suma. Be to, kad elektronai sukasi žiedinėmis orbitomis, jie taip pat juda aplink savo ašis, sukurdami sukimosi momentus. Jie atlieka svarbią funkciją feromagnetų įmagnetinimo procese.
Praktinis feromagnetų pritaikymas yra susijęs su spontaniškai įmagnetintų sričių, turinčių lygiagrečią sukimosi momentų orientaciją, susidarymu juose. Jei feromagnetas nėra išoriniame lauke, atskiri magnetiniai momentai turi skirtingas kryptis, jų suma lygi nuliui ir nėra įmagnetinimo savybės.
Išskirtinės feromagnetų savybės
Jei paramagnetai siejami su atskirų medžiagos molekulių ar atomų savybėmis, tai feromagnetines savybes galima paaiškinti kristalų struktūros ypatumais. Pavyzdžiui, garų būsenoje geležies atomai yra šiek tiek diamagnetiniai, o kietoje būsenoje šis metalas yra feromagnetas. Laboratorinių tyrimų metu buvo nustatytas temperatūros ir feromagnetinių savybių ryšys.
Pavyzdžiui, Goislerio lydinyje, kuris magnetinėmis savybėmis panašus į geležį, šio metalo nėra. Pasiekus Curie tašką (tam tikrą temperatūros reikšmę), feromagnetinės savybės išnyksta.
Iš jų išskirtinių savybių galima išskirti ne tik didelę magnetinio pralaidumo vertę, bet ir ryšį tarp lauko stiprio irįmagnetinimas.
Atskirų feromagneto atomų magnetinių momentų sąveika prisideda prie galingų vidinių magnetinių laukų, išsidėsčiusių lygiagrečiai vienas kitam, kūrimo. Stiprus išorinis laukas keičia orientaciją, o tai padidina magnetines savybes.
Feromagnetų prigimtis
Mokslininkai nustatė feromagnetizmo sukimosi prigimtį. Paskirstant elektronus energijos sluoksniuose, atsižvelgiama į Pauli išskyrimo principą. Jo esmė ta, kad kiekviename sluoksnyje gali būti tik tam tikras jų skaičius. Gautos visų elektronų, esančių visiškai užpildytame apvalkale, orbitos ir sukimosi magnetinių momentų vertės yra lygios nuliui.
Feromagnetinių savybių turintys cheminiai elementai (nikelis, kob altas, geležis) yra pereinamieji periodinės lentelės elementai. Jų atomuose pažeidžiamas apvalkalų užpildymo elektronais algoritmas. Pirmiausia jie patenka į viršutinį sluoksnį (s-orbitalę), ir tik jam visiškai užpildžius elektronai patenka į žemiau esantį apvalkalą (d-orbital).
Feromagnetų, kurių pagrindinis yra geležis, naudojimas plačiu mastu paaiškinamas struktūros pasikeitimu, kai juos veikia išorinis magnetinis laukas.
Panašių savybių gali turėti tik tos medžiagos, kurių atomuose yra vidinių nebaigtų apvalkalų. Tačiau net ir šios sąlygos nepakanka kalbėti apie feromagnetines charakteristikas. Pavyzdžiui, chromas, manganas, platina taip pat turinebaigti apvalkalai atomų viduje, tačiau jie yra paramagnetiniai. Savaiminio įmagnetinimo atsiradimas paaiškinamas specialiu kvantiniu veiksmu, kurį sunku paaiškinti naudojant klasikinę fiziką.
Departamentas
Tokios medžiagos sąlygiškai skirstomos į du tipus: kietuosius ir minkštuosius feromagnetus. Kietų medžiagų naudojimas yra susijęs su magnetinių diskų, juostų, skirtų informacijai saugoti, gamyba. Minkštieji feromagnetai yra nepamainomi kuriant elektromagnetus, transformatorių šerdis. Dviejų rūšių skirtumai paaiškinami šių medžiagų cheminės struktūros ypatumais.
Naudojimo ypatybės
Pažvelkime atidžiau į keletą feromagnetų naudojimo įvairiose šiuolaikinių technologijų srityse pavyzdžių. Minkštos magnetinės medžiagos naudojamos elektrotechnikoje kuriant elektros variklius, transformatorius, generatorius. Be to, svarbu atkreipti dėmesį į tokio tipo feromagnetų naudojimą radijo ryšiuose ir silpnų srovių technologijose.
Norint sukurti nuolatinius magnetus, reikia standžių tipų. Jei išorinis laukas yra išjungtas, feromagnetai išlaiko savo savybes, nes elementariųjų srovių orientacija neišnyksta.
Ši savybė paaiškina feromagnetų naudojimą. Trumpai tariant, galime pasakyti, kad tokios medžiagos yra šiuolaikinių technologijų pagrindas.
Nuolatiniai magnetai reikalingi kuriant elektrinius matavimo prietaisus, telefonus, garsiakalbius, magnetinius kompasus, garso įrašymo įrenginius.
Feritai
Atsižvelgiant į feromagnetų naudojimą, būtina atkreipti ypatingą dėmesį į feritus. Jie plačiai naudojami aukšto dažnio radijo inžinerijoje, nes sujungia puslaidininkių ir feromagnetų savybes. Būtent iš feritų šiuo metu gaminamos magnetinės juostos ir plėvelės, induktorių šerdys, diskai. Tai yra gamtoje randami geležies oksidai.
Įdomūs faktai
Domina feromagnetų naudojimas elektros mašinose, taip pat įrašymo į standųjį diską technologija. Šiuolaikiniai tyrimai rodo, kad tam tikroje temperatūroje kai kurie feromagnetai gali įgyti paramagnetines charakteristikas. Štai kodėl šios medžiagos laikomos menkai suprantamomis ir ypač domina fizikus.
Plieninė šerdis gali kelis kartus padidinti magnetinį lauką nekeičiant srovės stiprumo.
Feromagnetų naudojimas gali žymiai sutaupyti elektros energijos. Štai kodėl feromagnetinių savybių turinčios medžiagos naudojamos generatorių, transformatorių, elektros variklių šerdims.
Magnetinė histerezė
Tai magnetinio lauko stiprumo ir įmagnetinimo vektoriaus priklausomybės nuo išorinio lauko reiškinys. Ši savybė pasireiškia feromagnetuose, taip pat lydiniuose iš geležies, nikelio, kob alto. Panašus reiškinys stebimas ne tik keičiant lauko kryptį ir dydį, bet ir jo sukimosi atveju.
Pralaidumas
Magnetinis pralaidumas yra fizinis dydis, parodantis indukcijos tam tikroje terpėje ir vakuume santykį. Jei medžiaga sukuria savo magnetinį lauką, ji laikoma įmagnetinta. Remiantis Ampère'o hipoteze, savybių vertė priklauso nuo „laisvųjų“elektronų judėjimo orbitoje atome.
Histerezės kilpa yra feromagneto, esančio išoriniame lauke, įmagnetinimo dydžio pokyčio priklausomybės nuo indukcijos dydžio pokyčio kreivė. Norėdami visiškai išmagnetinti naudojamą korpusą, turite pakeisti išorinio magnetinio lauko kryptį.
Esant tam tikrai magnetinės indukcijos vertei, kuri vadinama priverstine jėga, pavyzdžio įmagnetinimas tampa lygus nuliui.
Būtent histerezės kilpos forma ir priverstinės jėgos dydis lemia medžiagos gebėjimą išlaikyti dalinį įmagnetinimą, paaiškina plačiai paplitusį feromagnetų naudojimą. Trumpai, kietųjų feromagnetų su plačia histerezės kilpa panaudojimo sritys aprašytos aukščiau. Volframo, anglies, aliuminio, chromo plienai turi didelę priverstinę jėgą, todėl jų pagrindu sukuriami įvairių formų nuolatiniai magnetai: juostelė, pasagos.
Tarp minkštų medžiagų, turinčių nedidelę priverstinę jėgą, pastebime geležies rūdas, taip pat geležies ir nikelio lydinius.
Feromagnetų įmagnetinimo apsisukimo procesas yra susijęs su savaiminio įmagnetinimo srities pasikeitimu. Tam naudojamas išorinio lauko atliktas darbas. Kiekisgeneruojama šiluma šiuo atveju yra proporcinga histerezės kilpos plotui.
Išvada
Šiuo metu visose technologijos šakose aktyviai naudojamos feromagnetinių savybių turinčios medžiagos. Be didelių energijos išteklių taupymo, tokių medžiagų naudojimas gali supaprastinti technologinius procesus.
Pavyzdžiui, apsiginklavę galingais nuolatiniais magnetais galite labai supaprastinti transporto priemonių kūrimo procesą. Galingi elektromagnetai, šiuo metu naudojami šalies ir užsienio automobilių gamyklose, leidžia visiškai automatizuoti daugiausiai darbo reikalaujančius technologinius procesus, taip pat žymiai pagreitina naujų transporto priemonių surinkimo procesą.
Radijotechnikoje feromagnetai leidžia gauti aukščiausios kokybės ir tikslumo prietaisus.
Mokslininkams pavyko sukurti vieno etapo metodą magnetinėms nanodalelėms, tinkančioms naudoti medicinoje ir elektronikoje, gaminti.
Dėl daugybės tyrimų, atliktų geriausiose tyrimų laboratorijose, pavyko nustatyti plonu aukso sluoksniu padengtų kob alto ir geležies nanodalelių magnetines savybes. Jų gebėjimas perkelti vaistus nuo vėžio ar radionuklidų atomus į dešinę žmogaus kūno dalį ir padidinti magnetinio rezonanso vaizdų kontrastą jau patvirtintas.
Be to, tokias daleles galima naudoti magnetinės atminties įrenginiams atnaujinti, o tai bus naujas žingsnis kuriant naujoviškąmedicinos technologija.
Rusijos mokslininkų komandai pavyko sukurti ir išbandyti vandeninių chloridų tirpalų redukavimo metodą, kad gautų kombinuotas kob alto ir geležies nanodaleles, tinkamas patobulintomis magnetinėmis savybėmis pasižyminčioms medžiagoms kurti. Visi mokslininkų atliekami tyrimai yra skirti pagerinti medžiagų feromagnetines savybes, padidinti jų procentinį panaudojimą gamyboje.
