Apskatīsim galvenās feromagnētu pielietošanas jomas, kā arī to klasifikācijas iezīmes. Sāksim ar to, ka feromagnētus sauc par cietām vielām, kurām ir nekontrolēta magnetizācija zemā temperatūrā. Tas mainās deformācijas, magnētiskā lauka, temperatūras svārstību ietekmē.
Feromagnētu īpašības
Feromagnētu izmantošana tehnoloģijās ir izskaidrojama ar to fizikālajām īpašībām. Viņiem ir magnētiskā caurlaidība, kas ir daudzkārt lielāka nekā vakuumam. Šajā sakarā visām elektriskām ierīcēm, kas izmanto magnētiskos laukus, lai pārveidotu viena veida enerģiju citā, ir īpaši elementi, kas izgatavoti no feromagnētiska materiāla, kas spēj vadīt magnētisko plūsmu.
Feromagnētu īpašības
Kādas ir feromagnētu atšķirīgās īpašības? Šo vielu īpašības un lietošana ir izskaidrojama ar iekšējās struktūras īpatnībām. Pastāv tieša saistība starp matērijas magnētiskajām īpašībām un elementārajiem magnētisma nesējiem, kas ir elektroni, kas pārvietojas atoma iekšienē.
Pārvietojoties pa apļveida orbītām, tie rada elementāras strāvas un magnētiskāsdipoli, kuriem ir magnētiskais moments. Tās virzienu nosaka karkasa noteikums. Ķermeņa magnētiskais moments ir visu daļu ģeometriskā summa. Papildus rotācijai apļveida orbītās elektroni pārvietojas arī ap savām asīm, radot griešanās momentus. Tie veic svarīgu funkciju feromagnētu magnetizācijas procesā.
Feromagnētu praktiskā pielietošana ir saistīta ar spontāni magnetizētu reģionu veidošanos tajos ar paralēlu griešanās momentu orientāciju. Ja feromagnēts neatrodas ārējā laukā, tad atsevišķiem magnētiskajiem momentiem ir dažādi virzieni, to summa ir nulle un nav magnetizācijas īpašību.
Feromagnētu atšķirīgās iezīmes
Ja paramagnēti ir saistīti ar atsevišķu vielas molekulu vai atomu īpašībām, tad feromagnētiskās īpašības var izskaidrot ar kristāla struktūras specifiku. Piemēram, tvaika stāvoklī dzelzs atomi ir nedaudz diamagnētiski, savukārt cietā stāvoklī šis metāls ir feromagnēts. Laboratorijas pētījumu rezultātā tika atklāta sakarība starp temperatūru un feromagnētiskajām īpašībām.
Piemēram, Goislera sakausējums, kas pēc magnētiskajām īpašībām ir līdzīgs dzelzs, nesatur šo metālu. Kad tiek sasniegts Kirī punkts (noteikta temperatūras vērtība), feromagnētiskās īpašības pazūd.
Starp to raksturīgajām īpašībām var izcelt ne tikai augsto magnētiskās caurlaidības vērtību, bet arī attiecības starp lauka intensitāti unmagnetizācija.
Feromagnēta atsevišķu atomu magnētisko momentu mijiedarbība veicina spēcīgu iekšējo magnētisko lauku veidošanos, kas atrodas paralēli viens otram. Spēcīgs ārējais lauks izraisa orientācijas izmaiņas, kas izraisa magnētisko īpašību palielināšanos.
Feromagnētu daba
Zinātnieki ir noskaidrojuši feromagnētisma griešanās raksturu. Sadalot elektronus pa enerģijas slāņiem, tiek ņemts vērā Pauli izslēgšanas princips. Tās būtība ir tāda, ka uz katra slāņa var atrasties tikai noteikts skaits to. Visu elektronu, kas atrodas uz pilnībā piepildīta apvalka, iegūtās orbitālās un griešanās magnētisko momentu vērtības ir vienādas ar nulli.
Ķīmiskie elementi ar feromagnētiskām īpašībām (niķelis, kob alts, dzelzs) ir periodiskās tabulas pārejas elementi. To atomos ir pārkāpts algoritms čaulu piepildīšanai ar elektroniem. Pirmkārt, tie iekļūst augšējā slānī (s-orbitālā), un tikai pēc tam, kad tas ir pilnībā piepildīts, elektroni nonāk apvalkā, kas atrodas zemāk (d-orbitālā).
Feromagnētu, no kuriem galvenais ir dzelzs, liela mēroga izmantošana ir izskaidrojama ar struktūras izmaiņām, pakļaujot to ārējam magnētiskajam laukam.
Līdzīgas īpašības var būt tikai tām vielām, kuru atomos ir iekšējie nepabeigtie apvalki. Bet pat ar šo nosacījumu nepietiek, lai runātu par feromagnētiskajām īpašībām. Piemēram, ir arī hroms, mangāns, platīnsnepabeigti apvalki atomu iekšienē, bet tie ir paramagnētiski. Spontānas magnetizācijas rašanās ir izskaidrojama ar īpašu kvantu darbību, ko ir grūti izskaidrot, izmantojot klasisko fiziku.
Nodaļa
Šādus materiālus nosacīti iedala divos veidos: cietajos un mīkstajos feromagnētos. Cieto materiālu izmantošana ir saistīta ar magnētisko disku, lentu izgatavošanu informācijas glabāšanai. Mīkstie feromagnēti ir neaizstājami elektromagnētu, transformatoru serdeņu izveidē. Atšķirības starp abām sugām skaidrojamas ar šo vielu ķīmiskās struktūras īpatnībām.
Lietošanas iespējas
Sīkāk apskatīsim dažus feromagnētu izmantošanas piemērus dažādās mūsdienu tehnoloģiju nozarēs. Mīkstos magnētiskos materiālus elektrotehnikā izmanto, lai izveidotu elektromotorus, transformatorus, ģeneratorus. Turklāt ir svarīgi atzīmēt šāda veida feromagnētu izmantošanu radiosakaros un vājstrāvas tehnoloģijās.
Lai izveidotu pastāvīgos magnētus, ir nepieciešami stingri tipi. Ja ārējais lauks ir izslēgts, feromagnēti saglabā savas īpašības, jo elementāro strāvu orientācija nepazūd.
Tieši šī īpašība izskaidro feromagnētu izmantošanu. Īsumā varam teikt, ka šādi materiāli ir mūsdienu tehnoloģiju pamatā.
Pastāvīgie magnēti ir nepieciešami, veidojot elektriskos mērinstrumentus, telefonus, skaļruņus, magnētiskos kompasus, skaņu ierakstītājus.
Ferīti
Ņemot vērā feromagnētu izmantošanu, īpaša uzmanība jāpievērš ferītiem. Tos plaši izmanto augstfrekvences radiotehnikā, jo tie apvieno pusvadītāju un feromagnētu īpašības. No ferītiem pašlaik tiek izgatavotas magnētiskās lentes un plēves, induktoru serdeņi un diski. Tie ir dabā sastopami dzelzs oksīdi.
Interesanti fakti
Interese ir feromagnētu izmantošana elektriskās mašīnās, kā arī ierakstīšanas tehnoloģijā cietajā diskā. Mūsdienu pētījumi liecina, ka noteiktā temperatūrā daži feromagnēti var iegūt paramagnētiskas īpašības. Tāpēc šīs vielas tiek uzskatītas par slikti izprotamām un īpaši interesē fiziķus.
Tērauda serde spēj vairākas reizes palielināt magnētisko lauku, nemainot strāvas stiprumu.
Feromagnētu izmantošana var ievērojami ietaupīt elektroenerģiju. Tāpēc ģeneratoru, transformatoru, elektromotoru serdeņiem tiek izmantoti materiāli ar feromagnētiskām īpašībām.
Magnētiskā histerēze
Šī ir magnētiskā lauka intensitātes un magnetizācijas vektora atkarības no ārējā lauka parādība. Šī īpašība izpaužas feromagnētos, kā arī sakausējumos, kas izgatavoti no dzelzs, niķeļa, kob alta. Līdzīga parādība novērojama ne tikai lauka virziena un lieluma maiņas gadījumā, bet arī tā rotācijas gadījumā.
Caurlaidība
Magnētiskā caurlaidība ir fizikāls lielums, kas parāda indukcijas attiecību noteiktā vidē un indukcijas attiecību vakuumā. Ja viela rada savu magnētisko lauku, tā tiek uzskatīta par magnetizētu. Saskaņā ar Ampēra hipotēzi īpašību vērtība ir atkarīga no "brīvo" elektronu orbitālās kustības atomā.
Histerēzes cilpa ir ārējā laukā esošā feromagnēta magnetizācijas lieluma izmaiņu atkarības līkne no indukcijas lieluma izmaiņām. Lai pilnībā atmagnetizētu izmantoto korpusu, jāmaina ārējā magnētiskā lauka virziens.
Pie noteiktas magnētiskās indukcijas vērtības, ko sauc par koercitīvo spēku, parauga magnetizācija kļūst par nulli.
Tā ir histerēzes cilpas forma un piespiedu spēka lielums, kas nosaka vielas spēju uzturēt daļēju magnetizāciju, izskaidro feromagnētu plašo izmantošanu. Īsumā, cieto feromagnētu ar plašu histerēzes cilpu pielietojuma jomas ir aprakstītas iepriekš. Volframa, oglekļa, alumīnija, hroma tēraudiem ir liels piespiedu spēks, tāpēc uz to bāzes tiek veidoti dažādu formu pastāvīgie magnēti: lentes, pakavs.
Starp mīkstajiem materiāliem ar nelielu piespiedu spēku mēs atzīmējam dzelzsrūdas, kā arī dzelzs un niķeļa sakausējumus.
Feromagnētu magnetizācijas maiņas process ir saistīts ar izmaiņām spontānās magnetizācijas apgabalā. Šim nolūkam tiek izmantots ārējā lauka paveiktais darbs. Daudzumsradītais siltums šajā gadījumā ir proporcionāls histerēzes cilpas laukumam.
Secinājums
Šobrīd visās tehnoloģiju nozarēs aktīvi tiek izmantotas vielas ar feromagnētiskām īpašībām. Papildus ievērojamiem energoresursu ietaupījumiem šādu vielu izmantošana var vienkāršot tehnoloģiskos procesus.
Piemēram, bruņojoties ar spēcīgiem pastāvīgajiem magnētiem, jūs varat ievērojami vienkāršot transportlīdzekļu izveides procesu. Jaudīgie elektromagnēti, ko šobrīd izmanto pašmāju un ārvalstu automobiļu rūpnīcās, ļauj pilnībā automatizēt darbietilpīgākos tehnoloģiskos procesus, kā arī būtiski paātrina jaunu transportlīdzekļu montāžas procesu.
Radiotehnikā feromagnēti ļauj iegūt visaugstākās kvalitātes un precizitātes ierīces.
Zinātniekiem ir izdevies izveidot vienpakāpes metodi magnētisko nanodaļiņu ražošanai, kas ir piemērotas izmantošanai medicīnā un elektronikā.
Daudzu labāko pētījumu laboratorijās veikto pētījumu rezultātā izdevās noskaidrot ar plānu zelta kārtiņu pārklātu kob alta un dzelzs nanodaļiņu magnētiskās īpašības. To spēja pārnest pretvēža zāles vai radionuklīdu atomus uz cilvēka ķermeņa labo daļu un palielināt magnētiskās rezonanses attēlu kontrastu jau ir apstiprināta.
Turklāt šādas daļiņas var izmantot, lai uzlabotu magnētiskās atmiņas ierīces, kas būs jauns solis inovatīvasmedicīnas tehnoloģija.
Krievu zinātnieku komandai izdevās izstrādāt un pārbaudīt metodi hlorīdu ūdens šķīdumu samazināšanai, lai iegūtu kombinētas kob alta-dzelzs nanodaļiņas, kas piemērotas materiālu ar uzlabotām magnētiskajām īpašībām radīšanai. Visi zinātnieku veiktie pētījumi ir vērsti uz vielu feromagnētisko īpašību uzlabošanu, palielinot to procentuālo izmantošanu ražošanā.
