Pozrime sa na hlavné oblasti použitia feromagnetík, ako aj na vlastnosti ich klasifikácie. Začnime tým, že feromagnety sa nazývajú pevné látky, ktoré majú nekontrolovanú magnetizáciu pri nízkych teplotách. Mení sa vplyvom deformácie, magnetického poľa, teplotných výkyvov.
Vlastnosti feromagnetík
Použitie feromagnetík v technológii sa vysvetľuje ich fyzikálnymi vlastnosťami. Majú magnetickú permeabilitu, ktorá je mnohonásobne väčšia ako priepustnosť vákua. V tejto súvislosti majú všetky elektrické zariadenia, ktoré využívajú magnetické polia na premenu jedného druhu energie na iný, špeciálne prvky vyrobené z feromagnetického materiálu schopného viesť magnetický tok.
Vlastnosti feromagnetík
Aké sú charakteristické vlastnosti feromagnetík? Vlastnosti a použitie týchto látok sú vysvetlené zvláštnosťami vnútornej štruktúry. Existuje priamy vzťah medzi magnetickými vlastnosťami hmoty a elementárnymi nosičmi magnetizmu, ktorými sú elektróny pohybujúce sa vo vnútri atómu.
Pri pohybe po kruhových dráhach vytvárajú elementárne prúdy a magnetickédipóly, ktoré majú magnetický moment. Jeho smer je určený gimletovým pravidlom. Magnetický moment telesa je geometrický súčet všetkých častí. Okrem rotácie po kruhových dráhach sa elektróny pohybujú aj okolo svojich vlastných osí, čím vznikajú spinové momenty. Plnia dôležitú funkciu v procese magnetizácie feromagnetík.
Praktická aplikácia feromagnetík je spojená s tvorbou spontánnych magnetizovaných oblastí s paralelnou orientáciou spinových momentov. Ak sa feromagnet nenachádza vo vonkajšom poli, tak jednotlivé magnetické momenty majú rôzne smery, ich súčet je nulový a neexistuje žiadna magnetizačná vlastnosť.
Výrazné vlastnosti feromagnetík
Ak sú paramagnety spojené s vlastnosťami jednotlivých molekúl alebo atómov látky, potom feromagnetické vlastnosti možno vysvetliť špecifikami kryštálovej štruktúry. Napríklad v parnom stave sú atómy železa mierne diamagnetické, zatiaľ čo v pevnom stave je tento kov feromagnet. Ako výsledok laboratórnych štúdií bol odhalený vzťah medzi teplotou a feromagnetickými vlastnosťami.
Napríklad zliatina Goisler, ktorá má magnetické vlastnosti podobné železu, tento kov neobsahuje. Keď sa dosiahne Curieov bod (určitá hodnota teploty), feromagnetické vlastnosti zmiznú.
Z ich charakteristických vlastností možno vyzdvihnúť nielen vysokú hodnotu magnetickej permeability, ale aj vzťah medzi intenzitou poľa amagnetizácia.
Vzájomné pôsobenie magnetických momentov jednotlivých atómov feromagnetika prispieva k vytvoreniu silných vnútorných magnetických polí, ktoré sú navzájom paralelne zoradené. Silné vonkajšie pole vedie k zmene orientácie, čo vedie k zvýšeniu magnetických vlastností.
Povaha feromagnetík
Vedci zistili spinovú povahu feromagnetizmu. Pri distribúcii elektrónov cez energetické vrstvy sa berie do úvahy Pauliho vylučovací princíp. Jej podstatou je, že na každej vrstve ich môže byť len určitý počet. Výsledné hodnoty orbitálnych a spinových magnetických momentov všetkých elektrónov umiestnených na úplne vyplnenom obale sú rovné nule.
Chemické prvky s feromagnetickými vlastnosťami (nikel, kob alt, železo) sú prechodnými prvkami periodickej tabuľky. V ich atómoch dochádza k porušeniu algoritmu na plnenie škrupín elektrónmi. Najprv vstúpia do hornej vrstvy (s-orbital) a až po jej úplnom naplnení vstúpia elektróny do nižšie umiestneného obalu (d-orbital).
Veľké použitie feromagnetík, z ktorých hlavným je železo, sa vysvetľuje zmenou štruktúry pri vystavení vonkajšiemu magnetickému poľu.
Podobné vlastnosti môžu mať len tie látky, v ktorých atómoch sú vnútorné nedokončené obaly. Ale ani táto podmienka nestačí na to, aby sme hovorili o feromagnetických charakteristikách. Napríklad chróm, mangán, platina majú tiežnedokončené škrupiny vo vnútri atómov, ale sú paramagnetické. Vznik spontánnej magnetizácie sa vysvetľuje špeciálnou kvantovou akciou, ktorú je ťažké vysvetliť pomocou klasickej fyziky.
Oddelenie
Existuje podmienené rozdelenie takýchto materiálov na dva typy: tvrdé a mäkké feromagnety. Použitie tvrdých materiálov je spojené s výrobou magnetických diskov, pások na ukladanie informácií. Mäkké feromagnety sú nevyhnutné pri vytváraní elektromagnetov, jadier transformátorov. Rozdiely medzi týmito dvoma druhmi sú vysvetlené zvláštnosťami chemickej štruktúry týchto látok.
Funkcie použitia
Pozrime sa bližšie na niekoľko príkladov využitia feromagnetík v rôznych odvetviach modernej techniky. Mäkké magnetické materiály sa používajú v elektrotechnike na vytváranie elektromotorov, transformátorov, generátorov. Okrem toho je dôležité poznamenať použitie feromagnetík tohto typu v rádiovej komunikácii a slaboprúdovej technike.
Na vytvorenie permanentných magnetov sú potrebné pevné typy. Ak je vonkajšie pole vypnuté, feromagnetika si zachováva svoje vlastnosti, pretože orientácia elementárnych prúdov nezmizne.
Práve táto vlastnosť vysvetľuje použitie feromagnetík. V skratke môžeme povedať, že takéto materiály sú základom moderných technológií.
Permanentné magnety sú potrebné pri výrobe elektrických meracích prístrojov, telefónov, reproduktorov, magnetických kompasov, záznamníkov zvuku.
Ferrity
Vzhľadom na použitie feromagnetík je potrebné venovať zvláštnu pozornosť feritom. Sú široko používané vo vysokofrekvenčnom rádiovom inžinierstve, pretože kombinujú vlastnosti polovodičov a feromagnetov. Práve z feritov sa v súčasnosti vyrábajú magnetické pásky a filmy, jadrá induktorov a disky. Sú to oxidy železa nachádzajúce sa v prírode.
Zaujímavé fakty
Zaujímavosťou je využitie feromagnetík v elektrických strojoch, ako aj technológia záznamu na pevný disk. Moderný výskum naznačuje, že pri určitých teplotách môžu niektoré feromagnety získať paramagnetické vlastnosti. To je dôvod, prečo sa tieto látky považujú za málo pochopené a sú mimoriadne zaujímavé pre fyzikov.
Oceľové jadro je schopné niekoľkokrát zvýšiť magnetické pole bez zmeny sily prúdu.
Použitie feromagnetík môže výrazne ušetriť elektrickú energiu. Preto sa na jadrá generátorov, transformátorov, elektromotorov používajú materiály s feromagnetickými vlastnosťami.
Magnetická hysterézia
Toto je fenomén závislosti sily magnetického poľa a vektora magnetizácie na vonkajšom poli. Táto vlastnosť sa prejavuje vo feromagnetikách, ako aj v zliatinách zo železa, niklu, kob altu. Podobný jav pozorujeme nielen v prípade zmeny smeru a veľkosti poľa, ale aj v prípade jeho rotácie.
Priepustnosť
Magnetická permeabilita je fyzikálna veličina, ktorá ukazuje pomer indukcie v určitom médiu k indukcii vo vákuu. Ak látka vytvára svoje vlastné magnetické pole, považuje sa za magnetizovanú. Podľa Ampérovej hypotézy závisí hodnota vlastností od orbitálneho pohybu „voľných“elektrónov v atóme.
Hysterézna slučka je krivka závislosti zmeny veľkosti magnetizácie feromagnetika umiestneného vo vonkajšom poli od zmeny veľkosti indukcie. Pre úplnú demagnetizáciu použitého tela je potrebné zmeniť smer vonkajšieho magnetického poľa.
Pri určitej hodnote magnetickej indukcie, ktorá sa nazýva koercitívna sila, je magnetizácia vzorky nulová.
Schopnosť látky udržať čiastočnú magnetizáciu určuje tvar hysteréznej slučky a veľkosť koercitívnej sily, vysvetľuje rozšírené používanie feromagnetík. V stručnosti sú oblasti použitia tvrdých feromagnetík so širokou hysteréznou slučkou opísané vyššie. Volfrámové, uhlíkové, hliníkové, chrómové ocele majú veľkú koercitívnu silu, preto na ich základe vznikajú permanentné magnety rôznych tvarov: pás, podkova.
Medzi mäkkými materiálmi s malou donucovacou silou zaraďujeme železné rudy, ako aj zliatiny železa a niklu.
Proces obrátenia magnetizácie feromagnetík je spojený so zmenou v oblasti spontánnej magnetizácie. Na to sa používa práca vykonaná vonkajším poľom. množstvoteplo generované v tomto prípade je úmerné ploche hysteréznej slučky.
Záver
V súčasnosti sa vo všetkých odvetviach techniky aktívne využívajú látky s feromagnetickými vlastnosťami. Okrem výraznej úspory energetických zdrojov môže používanie takýchto látok zjednodušiť technologické procesy.
Napríklad, vyzbrojení silnými permanentnými magnetmi, môžete výrazne zjednodušiť proces vytvárania vozidiel. Výkonné elektromagnety, používané v súčasnosti v domácich a zahraničných automobilkách, umožňujú plne automatizovať aj tie najnáročnejšie technologické procesy, ako aj výrazne zrýchľujú proces montáže nových vozidiel.
V rádiotechnike umožňujú feromagnety získať zariadenia najvyššej kvality a presnosti.
Vedcom sa podarilo vytvoriť jednokrokovú metódu výroby magnetických nanočastíc, ktoré sú vhodné pre aplikácie v medicíne a elektronike.
Výsledkom mnohých štúdií uskutočnených v najlepších výskumných laboratóriách bolo možné stanoviť magnetické vlastnosti nanočastíc kob altu a železa potiahnutých tenkou vrstvou zlata. Ich schopnosť preniesť protirakovinové lieky alebo atómy rádionuklidov do správnej časti ľudského tela a zvýšiť kontrast snímok magnetickej rezonancie už bola potvrdená.
Navyše, takéto častice možno použiť na upgrade magnetických pamäťových zariadení, čo bude nový krok pri vytváraní inovatívneholekárske technológie.
Tímu ruských vedcov sa podarilo vyvinúť a otestovať metódu redukcie vodných roztokov chloridov na získanie kombinovaných nanočastíc kob altu a železa vhodných na vytváranie materiálov so zlepšenými magnetickými charakteristikami. Všetky výskumy uskutočnené vedcami sú zamerané na zlepšenie feromagnetických vlastností látok, zvýšenie ich percentuálneho využitia vo výrobe.
