Tarkastellaan ferromagneettien pääasiallisia käyttöalueita sekä niiden luokituksen ominaisuuksia. Aloitetaan siitä tosiasiasta, että ferromagneetteja kutsutaan kiinteiksi aineiksi, joilla on hallitsematon magnetoituminen matalissa lämpötiloissa. Se muuttuu muodonmuutosten, magneettikentän ja lämpötilan vaihteluiden vaikutuksesta.
Ferromagneettien ominaisuudet
Ferromagneettien käyttö tekniikassa selittyy niiden fysikaalisilla ominaisuuksilla. Niiden magneettinen permeabiliteetti on monta kertaa suurempi kuin tyhjiön. Tältä osin kaikissa sähkölaitteissa, jotka käyttävät magneettikenttiä yhden tyyppisen energian muuntamiseen toiseksi, on erityisiä elementtejä, jotka on valmistettu ferromagneettisesta materiaalista, joka pystyy johtamaan magneettivuon.
Ferromagneettien ominaisuudet
Mitkä ovat ferromagneettien tunnusmerkit? Näiden aineiden ominaisuudet ja käyttö selittyvät sisäisen rakenteen erityispiirteillä. Aineen magneettisten ominaisuuksien ja magnetismin alkukantajien, jotka ovat atomin sisällä liikkuvia elektroneja, välillä on suora yhteys.
Liikkuessaan ympyräradalla ne luovat alkuainevirtoja ja magneettisiadipolit, joilla on magneettinen momentti. Sen suunta määräytyy gimlet-säännön mukaan. Kappaleen magneettinen momentti on kaikkien osien geometrinen summa. Sen lisäksi, että elektronit pyörivät ympyräradalla, ne liikkuvat myös omien akseliensa ympäri luoden spinmomentteja. Niillä on tärkeä tehtävä ferromagneettien magnetointiprosessissa.
Ferromagneettien käytännöllinen käyttö liittyy spontaanin magnetoituneiden alueiden muodostumiseen niissä, joissa spinmomentit ovat suuntautuneet samansuuntaisesti. Jos ferromagneetti ei sijaitse ulkoisessa kentässä, yksittäisillä magneettimomenteilla on eri suunnat, niiden summa on nolla eikä magnetoitumisominaisuutta ole.
Ferromagneettien erityispiirteet
Jos paramagneetit liittyvät aineen yksittäisten molekyylien tai atomien ominaisuuksiin, niin ferromagneettiset ominaisuudet voidaan selittää kiderakenteen erityispiirteillä. Esimerkiksi höyrytilassa rautaatomit ovat lievästi diamagneettisia, kun taas kiinteässä tilassa tämä metalli on ferromagneetti. Laboratoriotutkimusten tuloksena lämpötilan ja ferromagneettisten ominaisuuksien välinen suhde paljastui.
Esimerkiksi Goisler-seos, jonka magneettiset ominaisuudet ovat samanlaisia kuin rauta, ei sisällä tätä metallia. Kun Curie-piste (tietty lämpötila-arvo) saavutetaan, ferromagneettiset ominaisuudet katoavat.
Niiden erityisominaisuuksista voidaan erottaa paitsi korkea magneettisen permeabiliteetin arvo, myös kenttävoimakkuuden jamagnetointi.
Ferromagneetin yksittäisten atomien magneettisten momenttien vuorovaikutus edistää voimakkaiden sisäisten magneettikenttien syntymistä, jotka ovat rinnakkain toistensa kanssa. Voimakas ulkoinen kenttä johtaa suunnan muutokseen, mikä johtaa magneettisten ominaisuuksien lisääntymiseen.
Ferromagneettien luonne
Tutkijat ovat selvittäneet ferromagnetismin spin-luonteen. Elektroneja jaettaessa energiakerrosten päälle otetaan huomioon Paulin poissulkemisperiaate. Sen olemus on, että vain tietty määrä niitä voi olla kullakin kerroksella. Kaikkien täysin täytetyllä kuorella olevien elektronien orbitaali- ja spinmagneettiset momentit ovat yhtä suuret kuin nolla.
Kemialliset alkuaineet, joilla on ferromagneettisia ominaisuuksia (nikkeli, koboltti, rauta) ovat jaksollisen järjestelmän siirtymäelementtejä. Niiden atomeissa on algoritmin vastainen kuorien täyttäminen elektroneilla. Ensin ne menevät ylempään kerrokseen (s-orbitaali), ja vasta kun se on täysin täytetty, elektronit menevät alla olevaan kuoreen (d-orbitaali).
Ferromagneettien, joista pääasiallinen on rauta, laajamittainen käyttö selittyy rakenteen muutoksella, kun ne altistetaan ulkoiselle magneettikentälle.
Samanlaisia ominaisuuksia voivat olla vain ne aineet, joiden atomeissa on sisäisiä keskeneräisiä kuoria. Mutta tämäkään ehto ei riitä puhumaan ferromagneettisista ominaisuuksista. Esimerkiksi kromissa, mangaanissa, platinassa on myöskeskeneräiset kuoret atomien sisällä, mutta ne ovat paramagneettisia. Spontaanin magnetisoitumisen synty selittyy erityisellä kvanttitoiminnalla, jota on vaikea selittää klassisen fysiikan avulla.
Osasto
Tällaiset materiaalit jaetaan ehdollisesti kahteen tyyppiin: kovat ja pehmeät ferromagneetit. Kovien materiaalien käyttö liittyy magneettilevyjen, tiedon tallentamiseen tarkoitettujen nauhojen valmistukseen. Pehmeät ferromagneetit ovat välttämättömiä sähkömagneettien, muuntajaytimien luomisessa. Näiden kahden lajin väliset erot selittyvät näiden aineiden kemiallisen rakenteen erityispiirteillä.
Käyttöominaisuudet
Katsotaanpa tarkemmin joitain esimerkkejä ferromagneettien käytöstä modernin tekniikan eri aloilla. Pehmeitä magneettisia materiaaleja käytetään sähkötekniikassa sähkömoottoreiden, muuntajien, generaattoreiden luomiseen. Lisäksi on tärkeää huomioida tämän tyyppisten ferromagneettien käyttö radioviestinnässä ja pienvirtatekniikassa.
Kestomagneettien luomiseen tarvitaan jäykkiä tyyppejä. Jos ulkoinen kenttä kytketään pois päältä, ferromagneetit säilyttävät ominaisuutensa, koska alkuainevirtojen suuntaus ei katoa.
Tämä ominaisuus selittää ferromagneettien käytön. Lyhyesti sanottuna voimme sanoa, että tällaiset materiaalit ovat modernin tekniikan perusta.
Kesyviä magneetteja tarvitaan luotaessa sähköisiä mittauslaitteita, puhelimia, kaiuttimia, magneettikompasseja, ääninauhureita.
Ferriitit
Ferromagneettien käytön vuoksi on tarpeen kiinnittää erityistä huomiota ferriitteihin. Niitä käytetään laaj alti suurtaajuisessa radiotekniikassa, koska niissä yhdistyvät puolijohteiden ja ferromagneettien ominaisuudet. Ferriiteistä valmistetaan tällä hetkellä magneettinauhoja ja -kalvoja, induktorisydämiä ja levyjä. Ne ovat luonnossa esiintyviä rautaoksideja.
Mielenkiintoisia faktoja
Kiinnostus on ferromagneettien käyttö sähkökoneissa sekä kiintolevylle tallennustekniikka. Nykyaikainen tutkimus osoittaa, että tietyissä lämpötiloissa jotkut ferromagneetit voivat saada paramagneettisia ominaisuuksia. Siksi näitä aineita pidetään huonosti ymmärrettyinä, ja ne kiinnostavat erityisesti fyysikoita.
Teräsydin pystyy lisäämään magneettikenttää useita kertoja muuttamatta virran voimakkuutta.
Ferromagneettien käyttö voi säästää merkittävästi sähköenergiaa. Siksi generaattoreiden, muuntajien ja sähkömoottoreiden ytimissä käytetään materiaaleja, joilla on ferromagneettisia ominaisuuksia.
Magneettinen hystereesi
Tämä on ilmiö magneettikentän voimakkuuden ja magnetointivektorin riippuvuudesta ulkoisesta kentästä. Tämä ominaisuus ilmenee ferromagneeteissa sekä raudasta, nikkelistä ja koboltista tehdyissä seoksissa. Samanlainen ilmiö havaitaan paitsi kentän suunnan ja suuruuden muutoksen, myös sen pyörimisen tapauksessa.
Läpäisevyys
Magneettinen läpäisevyys on fysikaalinen suure, joka osoittaa induktion suhteen tietyssä väliaineessa ja tyhjiössä. Jos aine luo oman magneettikentän, se katsotaan magnetoituneeksi. Ampèren hypoteesin mukaan ominaisuuksien arvo riippuu "vapaiden" elektronien kiertoradalla atomissa.
Hystereesisilmukka on käyrä ulkoisessa kentässä sijaitsevan ferromagneetin magnetisoitumisen koon muutoksen riippuvuudesta induktion koon muutoksesta. Jos haluat demagnetoida käytetyn kappaleen kokonaan, sinun on muutettava ulkoisen magneettikentän suuntaa.
Tietyllä magneettisen induktion arvolla, jota kutsutaan pakottavaksi voimaksi, näytteen magnetoitumisesta tulee nolla.
Hystereesisilmukan muoto ja pakkovoiman suuruus määräävät aineen kyvyn ylläpitää osittaista magnetoitumista, mikä selittää ferromagneettien laajan käytön. Lyhyesti, kovien ferromagneettien käyttöalueet, joissa on laaja hystereesisilmukka, on kuvattu edellä. Volframi-, hiili-, alumiini-, kromiteräksillä on suuri pakkovoima, joten niiden perusteella luodaan erimuotoisia kestomagneetteja: nauha, hevosenkenkä.
Pehmeistä materiaaleista, joilla on pieni pakkovoima, huomioimme rautamalmit sekä rauta-nikkeliseokset.
Ferromagneettien magnetoinnin käänteinen prosessi liittyy muutokseen spontaanin magnetisoitumisen alueella. Tätä varten käytetään ulkoisen kentän tekemää työtä. Määräsyntyvä lämpö on tässä tapauksessa verrannollinen hystereesisilmukan pinta-alaan.
Johtopäätös
Tällä hetkellä kaikilla tekniikan aloilla käytetään aktiivisesti aineita, joilla on ferromagneettisia ominaisuuksia. Huomattavien energiasäästöjen lisäksi tällaisten aineiden käyttö voi yksinkertaistaa teknologisia prosesseja.
Esimerkiksi tehokkailla kestomagneeteilla varustettuna voit yksinkertaistaa huomattavasti ajoneuvojen luomisprosessia. Tehokkaat sähkömagneetit, joita käytetään tällä hetkellä kotimaisissa ja ulkomaisissa autotehtaissa, mahdollistavat työvoimav altaisimpien teknisten prosessien täysin automatisoinnin sekä nopeuttavat merkittävästi uusien ajoneuvojen kokoonpanoa.
Radiotekniikassa ferromagneetit mahdollistavat korkealaatuisimpien ja tarkimpien laitteiden saamisen.
Tutkijat ovat onnistuneet luomaan yksivaiheisen menetelmän magneettisten nanohiukkasten valmistamiseksi, jotka soveltuvat lääketieteen ja elektroniikan sovelluksiin.
Parhaissa tutkimuslaboratorioissa tehtyjen lukuisten tutkimusten tuloksena pystyttiin toteamaan ohuella kultakerroksella päällystettyjen koboltin ja raudan nanohiukkasten magneettiset ominaisuudet. Niiden kyky siirtää syöpälääkkeitä tai radionuklidiatomeja ihmiskehon oikeaan osaan ja lisätä magneettiresonanssikuvien kontrastia on jo vahvistettu.
Lisäksi tällaisia hiukkasia voidaan käyttää magneettisten muistilaitteiden päivittämiseen, mikä on uusi askel innovatiivisenlääketieteellinen tekniikka.
Venäläisten tutkijoiden ryhmä onnistui kehittämään ja testaamaan menetelmän kloridien vesiliuosten pelkistämiseksi, jotta saadaan yhdistettyjä koboltti-rautananohiukkasia, jotka soveltuvat materiaalien luomiseen, joilla on paremmat magneettiset ominaisuudet. Kaiken tutkijoiden tekemän tutkimuksen tavoitteena on parantaa aineiden ferromagneettisia ominaisuuksia ja lisätä niiden prosenttiosuutta tuotannossa.
