Что такое ферромагнетики

Магнетизм — одно из важнейших явлений в физике, которое оказывает влияние на многие аспекты нашей жизни, начиная от компьютеров и заканчивая медицинским оборудованием. Наиболее магнитоактивные вещества называют ферромагнетиками. Они обладают уникальными свойствами, которые позволяют им найти применение в самых разных сферах. Но, несмотря на то, что феномен ферромагнетизма был изучен давно, многие его аспекты до сих пор не до конца поняты.

Определение ферромагнетиков

Основные принципы ферромагнетизма

Ферромагнетизмом называют свойство определенных материалов при наличии внешнего магнитного поля становиться постоянно намагниченными и сохранять данное состояние в будущем. Они способны многократно усиливать магнитное поле, действующее на них от внешнего магнита. Это свойство получило название магнитная проницаемость.

Формула проницаемости

Кроме ферромагнетиков существуют еще парамагнетические и диамагнетические материалы. Ферромагнетики и парамагнетики — это материалы с высокой магнитной восприимчивостью, поэтому при наличии сильного поля они втягиваются в его область. У диамагнетиков низкая магнитная восприимчивость и они выталкиваются из области сильного поля.

Классификация магнетиков

Основу ферромагнетизма составляют следующие физические явления:

• Спин и магнитный момент. У каждого электрона есть спин — внутреннее свойство, связанное с вращением электрона вокруг своей оси. Он порождает магнитный момент, который можно представить как вектор, направленный от северного полюса магнита к южному. В ферромагнетиках электроны соседних атомов сильно взаимодействуют между собой, что приводит к синхронизации их спинов и, следовательно, к высокой намагниченности.
  

  Магнитный момент
• Магнитные поля. Каждый магнитный момент создает вокруг себя заряженное поле. Данное поле уменьшается с расстоянием и зависит от ориентации магнитного момента. Если магнитные моменты многих электронов ориентированы в одном направлении, то создается более сильное поле, что приводит к высокой намагниченности материала.
  

  Магнитное поле
• Диполя. Ферромагнетик, находящийся во внешнем поле, может быть намагничен в направлении данного поля. Если внешнее поле убрать, то материал сохранит намагниченность. При наличии внешнего поля ферромагнетики могут также проявлять анизотропию — предпочтительное направление намагниченности.

Таким образом, основными принципами ферромагнетизма являются спин, магнитный момент, магнитные поля. Комбинация этих факторов обуславливает уникальные свойства ферромагнетиков и их широкое применение в различных областях.

Основные свойства ферромагнетиков

Группу материалов, называемую ферромагнетиками, отличают такие свойства, как:

• Намагниченность или магнитная индукция — это мера состояния материала, которая измеряется в теслах (T). Ферромагнетики могут иметь высокую индукцию, что делает их полезными во многих технических аспектах.
• Кривая намагничивания — это зависимость намагниченности материала от величины внешнего поля. Ферромагнетики имеют характерную форму кривой намагничивания, которая обычно включает начальный участок с малым наклоном (индукция медленно возрастает), за которым следует насыщение (материал насыщается и дальнейшее увеличение поля не приводит к значительному увеличению уровня индукции).
  

  Кривая намагничивания
• Зависимость магнитных свойств от температуры. При повышении температуры до определённого значения (температура Кюри) они могут потерять свою намагниченность, что обусловлено снижением взаимодействия между магнитными моментами атомов. Некоторые материалы, такие как железо, никель и кобальт, сохраняют свои ферромагнитные свойства до очень высоких температур.
  

  Особенности точки Кюри
• Наличие доменов. Так называют область внутри тела ферромагнетика, в которой все магнитные моменты атомов однонаправлены. Ферромагнетик состоит из множества доменов, которые могут иметь различные размеры и ориентации.
  

  Структура ферромагнетика
• Существование магнитного гистерезиса. Так называют зависимость напряженности магнитного поля от вектора намагниченности. График данной зависимости — это петля гистерезиса.
  

  Характеристики петли гистерезиса

Примеры ферромагнетиков

К ферромагнетикам относится большая группа металлов. Железо (сталь) является самым распространенным из них и применяется во многих сферах, включая строительство, автомобильную и аэрокосмическую промышленность, электронику, медицину. Кроме стали, хорошими ферромагнитными свойствами обладают также никель и кобальт. Сплавы с высокой магнитной восприимчивостью можно получить, если неферромагнитные материалы, такие как алюминий или марганец, скомбинировать с ферромагнетиками. К таким относятся соединения Fe₃Al, Ni₃Mn, ZnCMn₃.

Примеры ферромагнетиков

Следует отметить, что ферромагнетизм не зависит от электропроводности материала. Магнитные свойства могут иметь как проводники, так и материалы, которые не обладают высокой проводимостью электрического тока. Например, в природе существуют такие минералы, как магнетит и гематит. Это ферромагнетики с высокой намагниченностью, но не проводящие электрический ток.

Помимо использования металлов в чистом виде, во многих областях науки и промышленности применяются их сплавы. Обычно они состоят из железа, никеля, кобальта и других металлов, например, меди, цинка, алюминия. Яркие примеры таких сплавов — алюминиево-никелевый и железо-кобальтовый. Характеристики первого позволяют использовать его для производства магнитов, а второго — в электронике.

Сплавы могут иметь более высокую намагниченность и прочность, чем чистые металлы. Такие свойства сплавов из ферромагнитных материалов используются при разработке широкого спектра приложений, а новые технологии способствуют созданию более эффективных ферромагнетиков.

Области применения ферромагнетиков

Сферы использования

Благодаря уникальным физическим свойствам применение ферромагнетиков довольно широкое. Это:

• Электротехника и электроника. Данные материалы широко применяются в трансформаторах, генераторах и других устройствах, где требуется наличие магнитного поля.
• Медицина. Ферромагнетики и их свойства используются в медицинских приборах для создания магнитных полей, которые могут помочь в диагностике и лечении заболеваний. Например, в магнитно-резонансной томографии (МРТ) требуется сильное магнитное поле для создания детальных изображений внутренних органов.
• Записывающие устройства. Материалы с ферромагнитными свойствами используются в жестких дисках, магнитных лентах и других устройствах для записи и хранения информации.
• Промышленность. Ферромагнитные материалы и сплавы применяются при автоматизации различных промышленных процессов, таких как сепарация металлических отходов, контроль над заполнением металлических контейнеров и прочее.
• Научные исследования. Ферромагнетики используются для научных целей. Например, магнитные поля требуются в экспериментах по исследованию сверхпроводимости.

Помимо приведённых выше примеров, ферромагнетики необходимы для изготовления сердечников трансформаторов. Сердечник — это элемент, который является основной частью магнитной цепи и служит для усиления магнитного поля внутри обмотки. Сердечник изготавливается из магнитопроводящего материала и обычно имеет форму кольца или прямоугольника.

Виды трансформаторных сердечников

Трансформаторный сердечник изготавливается в основном из технического железа, электротехнической стали, чугуна. Электротехнической сталью называют сплав железа с кремнием (1–4%). За счет изменения процента кремния можно получать материалы с довольно широким диапазоном магнитных показателей. Сердечник благодаря ферромагнитным свойствам  этих материалов эффективно притягивает магнитные силовые линии, увеличивая поле внутри обмотки.

Современные технологии и развитие физики способствуют созданию новых ферромагнетиков, с более высокой намагниченностью. Благодаря этому они остаются перспективными материалами для многих будущих решений, включая вычислительную технику, промышленное производство, медицину и научные исследования.

Видео по теме