Tekintsük a ferromágnesek fő alkalmazási területeit, valamint osztályozásuk jellemzőit. Kezdjük azzal a ténnyel, hogy a ferromágneseket szilárd testeknek nevezzük, amelyek alacsony hőmérsékleten szabályozatlan mágnesezettséggel rendelkeznek. Változik deformáció, mágneses tér, hőmérséklet-ingadozás hatására.
A ferromágnesek tulajdonságai
A ferromágnesek technológiai felhasználását fizikai tulajdonságaik magyarázzák. Mágneses áteresztőképességük sokszorosa a vákuuménak. Ebben a tekintetben minden olyan elektromos eszköz, amely mágneses teret használ az egyik energiafajta másikká alakítására, speciális, ferromágneses anyagból készült elemekkel rendelkezik, amelyek képesek mágneses fluxust vezetni.
A ferromágnesek jellemzői
Melyek a ferromágnesek megkülönböztető jellemzői? Ezen anyagok tulajdonságait és felhasználását a belső szerkezet sajátosságai magyarázzák. Közvetlen kapcsolat van az anyag mágneses tulajdonságai és a mágnesesség elemi hordozói, azaz az atom belsejében mozgó elektronok között.
Körpályán való mozgás közben elemi áramokat és mágneses áramot hoznak létremágneses nyomatékkal rendelkező dipólusok. Irányát a gimlet szabály határozza meg. A test mágneses nyomatéka az összes testrész geometriai összege. Amellett, hogy körpályán forognak, az elektronok saját tengelyük körül is mozognak, és ezzel spinmomentumokat hoznak létre. Fontos funkciót töltenek be a ferromágnesek mágnesezési folyamatában.
A ferromágnesek gyakorlati alkalmazása azzal jár, hogy bennük spontán mágnesezett tartományok alakulnak ki, amelyekben a spinmomentumok párhuzamosan irányulnak. Ha a ferromágnes nem külső térben helyezkedik el, akkor az egyes mágneses momentumok különböző irányúak, összegük nulla, és nincs mágnesezési tulajdonság.
A ferromágnesek megkülönböztető jellemzői
Ha a paramágnesek egy anyag egyes molekuláinak vagy atomjainak tulajdonságaihoz kapcsolódnak, akkor a ferromágneses tulajdonságok a kristályszerkezet sajátosságaival magyarázhatók. Például gőzállapotban a vasatomok enyhén diamágnesesek, míg szilárd állapotban ez a fém ferromágneses. Laboratóriumi vizsgálatok eredményeként kiderült a hőmérséklet és a ferromágneses tulajdonságok közötti kapcsolat.
Például a vashoz hasonló mágneses tulajdonságokkal rendelkező Goisler-ötvözet nem tartalmazza ezt a fémet. A Curie-pont (egy bizonyos hőmérsékleti érték) elérésekor a ferromágneses tulajdonságok eltűnnek.
Megkülönböztető jellemzőik közül nem csak a mágneses permeabilitás magas értéke emelhető ki, hanem a térerősség és a térerő közötti kapcsolat is.mágnesezés.
A ferromágnesek egyes atomjainak mágneses momentumainak kölcsönhatása hozzájárul az egymással párhuzamosan sorakozó erős belső mágneses mezők létrehozásához. Az erős külső mező az orientáció megváltozásához vezet, ami a mágneses tulajdonságok növekedéséhez vezet.
A ferromágnesek természete
A tudósok megállapították a ferromágnesesség spin természetét. Az elektronok energiarétegek közötti elosztásánál a Pauli-kizárási elvet veszik figyelembe. Lényege, hogy minden rétegen csak bizonyos számú lehet belőlük. A teljesen kitöltött héjon található összes elektron pálya- és spinmágneses nyomatékának eredő értéke nulla.
A ferromágneses tulajdonságokkal rendelkező kémiai elemek (nikkel, kob alt, vas) a periódusos rendszer átmeneti elemei. Atomjaikban megsértik a héjak elektronokkal való feltöltésének algoritmusát. Először belépnek a felső rétegbe (s-pálya), és csak miután az teljesen megtelt, az elektronok az alatta található héjba (d-pálya).
A ferromágnesek – amelyek közül a fő a vas – széles körű alkalmazása a külső mágneses tér hatására bekövetkező szerkezetváltozással magyarázható.
Hasonló tulajdonságokkal csak azok az anyagok lehetnek, amelyek atomjaiban belső befejezetlen héjak találhatók. De még ez a feltétel sem elég ahhoz, hogy ferromágneses jellemzőkről beszéljünk. Például króm, mangán, platina is vanbefejezetlen héjak az atomok belsejében, de ezek paramágnesesek. A spontán mágnesezés megjelenését egy speciális kvantumhatás magyarázza, amit a klasszikus fizika segítségével nehéz megmagyarázni.
Osztály
Az ilyen anyagokat feltételesen két típusra osztják: kemény és lágy ferromágnesekre. A kemény anyagok felhasználása mágneses lemezek, információk tárolására szolgáló szalagok gyártásához kapcsolódik. A lágy ferromágnesek nélkülözhetetlenek az elektromágnesek, transzformátormagok létrehozásában. A két faj közötti különbséget ezen anyagok kémiai szerkezetének sajátosságai magyarázzák.
Használati jellemzők
Nézzünk meg közelebbről néhány példát a ferromágnesek használatára a modern technológia különböző ágaiban. Lágy mágneses anyagokat használnak az elektrotechnikában elektromos motorok, transzformátorok, generátorok létrehozására. Ezenkívül fontos megjegyezni az ilyen típusú ferromágnesek használatát a rádiókommunikációban és a gyengeáramú technológiában.
Az állandó mágnesek létrehozásához merev típusokra van szükség. Ha a külső mezőt kikapcsoljuk, a ferromágnesek megtartják tulajdonságaikat, mivel az elemi áramok orientációja nem tűnik el.
Ez a tulajdonság magyarázza a ferromágnesek használatát. Röviden azt mondhatjuk, hogy az ilyen anyagok jelentik a modern technológia alapját.
Állandó mágnesekre van szükség elektromos mérőműszerek, telefonok, hangszórók, mágneses iránytűk, hangrögzítők készítésekor.
Ferritek
A ferromágnesek használatára tekintettel különös figyelmet kell fordítani a ferritekre. Széles körben használják a nagyfrekvenciás rádiótechnikában, mivel egyesítik a félvezetők és a ferromágnesek tulajdonságait. Jelenleg ferritekből készülnek mágnesszalagok és fóliák, tekercsmagok és lemezek. Ezek a természetben előforduló vas-oxidok.
Érdekes tények
Érdekelt a ferromágnesek használata az elektromos gépekben, valamint a merevlemezre történő rögzítés technológiája. A modern kutatások azt mutatják, hogy bizonyos hőmérsékleteken egyes ferromágnesek paramágneses jellemzőket szerezhetnek. Ez az oka annak, hogy ezek az anyagok kevéssé ismertek, és különösen érdekesek a fizikusok számára.
Az acél mag képes többszörösére növelni a mágneses teret az áramerősség megváltoztatása nélkül.
A ferromágnesek használatával jelentős elektromos energia takarítható meg. Ezért használnak ferromágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagokat generátorok, transzformátorok, villanymotorok magjaihoz.
Mágneses hiszterézis
Ez a mágneses térerősség és a mágnesezettségi vektor külső tértől való függésének jelensége. Ez a tulajdonság a ferromágnesekben, valamint a vasból, nikkelből, kob altból készült ötvözetekben nyilvánul meg. Hasonló jelenség nem csak a tér irányának és nagyságának változása, hanem forgása esetén is megfigyelhető.
Permeabilitás
A mágneses permeabilitás egy olyan fizikai mennyiség, amely egy adott közegben az indukció és a vákuum indukciójának arányát mutatja. Ha egy anyag létrehozza saját mágneses terét, akkor mágnesezettnek minősül. Ampère hipotézise szerint a tulajdonságok értéke az atomban lévő „szabad” elektronok keringési mozgásától függ.
A hiszterézis hurok egy külső térben elhelyezkedő ferromágnes mágnesezettségének változásának az indukció méretének változásától való függésének görbéje. A használt test teljes demagnetizálásához meg kell változtatnia a külső mágneses tér irányát.
A mágneses indukció bizonyos értékénél, amelyet koercitív erőnek neveznek, a minta mágnesezettsége nulla lesz.
A hiszterézis hurok alakja és a kényszerítő erő nagysága határozza meg az anyag azon képességét, hogy fenntartsa a részleges mágnesezettséget, ez magyarázza a ferromágnesek széles körű alkalmazását. Röviden, a széles hiszterézishurokkal rendelkező kemény ferromágnesek alkalmazási területeit fentebb ismertettük. A volfrám-, szén-, alumínium-, krómacéloknak nagy a kényszerítő ereje, ezért ezek alapján különféle formájú állandó mágnesek jönnek létre: szalag, patkó.
A kis kényszerítő erővel rendelkező lágy anyagok között megjegyezzük a vasérceket, valamint a vas-nikkel ötvözeteket.
A ferromágnesek mágnesezettségének megfordításának folyamata a spontán mágnesezettség tartományának megváltozásával jár. Ehhez a külső mező által végzett munkát használják fel. Mennyiséga keletkező hő ebben az esetben arányos a hiszterézis hurok területével.
Következtetés
Jelenleg a technológia minden ágában aktívan használnak ferromágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagokat. Az energiaforrások jelentős megtakarítása mellett az ilyen anyagok használata leegyszerűsítheti a technológiai folyamatokat.
Például erős állandó mágnesekkel felszerelve nagyban leegyszerűsítheti a járművek létrehozásának folyamatát. A jelenleg hazai és külföldi autógyárakban használt nagy teljesítményű elektromágnesek lehetővé teszik a leginkább munkaigényes technológiai folyamatok teljes automatizálását, valamint jelentősen felgyorsítják az új járművek összeszerelésének folyamatát.
A rádiótechnikában a ferromágnesek lehetővé teszik a legmagasabb minőségű és legpontosabb eszközök előállítását.
A tudósoknak sikerült létrehozniuk egy egylépéses módszert olyan mágneses nanorészecskék előállítására, amelyek alkalmasak az orvostudományban és az elektronikában történő felhasználásra.
A legjobb kutatólaboratóriumokban végzett számos vizsgálat eredményeként sikerült megállapítani a vékony aranyréteggel bevont kob alt és vas nanorészecskék mágneses tulajdonságait. Már bebizonyosodott, hogy képesek rákellenes gyógyszereket vagy radionuklid atomokat átvinni az emberi test megfelelő részébe, és növelik a mágneses rezonancia képek kontrasztját.
Ezen túlmenően az ilyen részecskéket fel lehet használni a mágneses memóriaeszközök frissítésére, ami új lépést jelent majd egy innovatívorvosi technológia.
Orosz tudósokból álló csapatnak sikerült kifejlesztenie és tesztelnie egy módszert a kloridok vizes oldatainak redukálására, hogy olyan kombinált kob alt-vas nanorészecskéket állítsanak elő, amelyek alkalmasak javított mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagok létrehozására. A tudósok által végzett összes kutatás célja az anyagok ferromágneses tulajdonságainak javítása, a termelésben való felhasználásuk százalékos arányának növelése.
