Podívejme se na hlavní oblasti použití feromagnetik a také na vlastnosti jejich klasifikace. Začněme tím, že feromagnetika se nazývají pevné látky, které mají neřízenou magnetizaci při nízkých teplotách. Mění se vlivem deformace, magnetického pole, teplotních výkyvů.
Vlastnosti feromagnetik
Použití feromagnetik v technologii se vysvětluje jejich fyzikálními vlastnostmi. Mají magnetickou permeabilitu, která je mnohonásobně větší než u vakua. V tomto ohledu mají všechna elektrická zařízení, která využívají magnetická pole k přeměně jednoho typu energie na jiný, speciální prvky vyrobené z feromagnetického materiálu schopného vést magnetický tok.
Vlastnosti feromagnetik
Jaké jsou charakteristické vlastnosti feromagnetik? Vlastnosti a použití těchto látek jsou vysvětleny zvláštnostmi vnitřní struktury. Mezi magnetickými vlastnostmi hmoty a elementárními nositeli magnetismu, kterými jsou elektrony pohybující se uvnitř atomu, existuje přímý vztah.
Při pohybu po kruhových drahách vytvářejí elementární proudy a magnetickédipóly, které mají magnetický moment. Jeho směr je určen pravidlem gimlet. Magnetický moment tělesa je geometrický součet všech částí. Kromě rotace po kruhových drahách se elektrony také pohybují kolem své vlastní osy a vytvářejí spinové momenty. Plní důležitou funkci v procesu magnetizace feromagnetik.
Praktická aplikace feromagnetik je spojena s tvorbou spontánně magnetizovaných oblastí s paralelní orientací spinových momentů. Pokud se feromagnet nenachází ve vnějším poli, pak mají jednotlivé magnetické momenty různé směry, jejich součet je nulový a není zde žádná magnetizační vlastnost.
Výrazné vlastnosti feromagnetik
Pokud jsou paramagnety spojeny s vlastnostmi jednotlivých molekul nebo atomů látky, pak lze feromagnetické vlastnosti vysvětlit specifiky krystalové struktury. Například v parním stavu jsou atomy železa mírně diamagnetické, zatímco v pevném stavu je tento kov feromagnet. V důsledku laboratorních studií byl odhalen vztah mezi teplotou a feromagnetickými vlastnostmi.
Například slitina Goisler, podobná magnetickými vlastnostmi jako železo, tento kov neobsahuje. Když je dosaženo Curieho bodu (určitá hodnota teploty), feromagnetické vlastnosti zmizí.
Mezi jejich charakteristické vlastnosti lze vyzdvihnout nejen vysokou hodnotu magnetické permeability, ale také vztah mezi intenzitou pole amagnetizace.
Vzájemné působení magnetických momentů jednotlivých atomů feromagnetika přispívá k vytvoření silných vnitřních magnetických polí, která jsou vzájemně rovnoběžná. Silné vnější pole vede ke změně orientace, což vede ke zvýšení magnetických vlastností.
Povaha feromagnetik
Vědci prokázali spinovou povahu feromagnetismu. Při distribuci elektronů přes energetické vrstvy se bere v úvahu Pauliho vylučovací princip. Jeho podstatou je, že na každé vrstvě jich může být jen určitý počet. Výsledné hodnoty orbitálních a spinových magnetických momentů všech elektronů umístěných na zcela zaplněném obalu jsou rovny nule.
Chemické prvky s feromagnetickými vlastnostmi (nikl, kob alt, železo) jsou přechodnými prvky periodické tabulky. V jejich atomech dochází k porušení algoritmu plnění slupek elektrony. Nejprve vstupují do horní vrstvy (s-orbital) a teprve po jejím úplném zaplnění vstoupí elektrony do níže umístěného obalu (d-orbital).
Rozsáhlé použití feromagnetik, z nichž hlavní je železo, se vysvětluje změnou struktury při vystavení vnějšímu magnetickému poli.
Podobné vlastnosti mohou mít pouze ty látky, v jejichž atomech jsou vnitřní nedokončené obaly. Ale ani tato podmínka nestačí na to, abychom mohli mluvit o feromagnetických vlastnostech. Například chrom, mangan, platina mají takénedokončené obaly uvnitř atomů, ale jsou paramagnetické. Vznik spontánní magnetizace je vysvětlen speciální kvantovou akcí, kterou je obtížné vysvětlit pomocí klasické fyziky.
Oddělení
Existuje podmíněné rozdělení takových materiálů na dva typy: tvrdé a měkké feromagnety. Použití tvrdých materiálů je spojeno s výrobou magnetických disků, pásek pro ukládání informací. Měkká feromagnetika jsou nepostradatelná při vytváření elektromagnetů, jader transformátorů. Rozdíly mezi těmito dvěma druhy jsou vysvětleny zvláštnostmi chemické struktury těchto látek.
Funkce použití
Podívejme se blíže na některé příklady použití feromagnetik v různých odvětvích moderní techniky. Měkké magnetické materiály se používají v elektrotechnice k výrobě elektromotorů, transformátorů, generátorů. Kromě toho je důležité upozornit na použití feromagnetik tohoto typu v rádiové komunikaci a slaboproudé technice.
K vytvoření permanentních magnetů jsou potřeba pevné typy. Pokud je vnější pole vypnuto, feromagnetika si zachovají své vlastnosti, protože orientace elementárních proudů nezmizí.
Právě tato vlastnost vysvětluje použití feromagnetik. Stručně řečeno, můžeme říci, že takové materiály jsou základem moderní technologie.
Permanentní magnety jsou potřeba při výrobě elektrických měřicích přístrojů, telefonů, reproduktorů, magnetických kompasů, záznamníků zvuku.
Ferrity
Vzhledem k použití feromagnetik je nutné věnovat zvláštní pozornost feritům. Jsou široce používány ve vysokofrekvenční radiotechnice, protože kombinují vlastnosti polovodičů a feromagnetů. Právě z feritů se v současnosti vyrábí magnetické pásky a filmy, jádra induktorů a disky. Jsou to oxidy železa vyskytující se v přírodě.
Zajímavá fakta
Zajímavostí je použití feromagnetik v elektrických strojích a také technologie záznamu na pevný disk. Moderní výzkum ukazuje, že při určitých teplotách mohou některá feromagnetika získat paramagnetické vlastnosti. To je důvod, proč jsou tyto látky považovány za špatně pochopené a jsou předmětem zvláštního zájmu fyziků.
Ocelové jádro je schopno několikrát zvýšit magnetické pole bez změny síly proudu.
Použití feromagnetik může výrazně ušetřit elektrickou energii. Proto se pro jádra generátorů, transformátorů, elektromotorů používají materiály s feromagnetickými vlastnostmi.
Magnetická hystereze
Jedná se o jev závislosti síly magnetického pole a vektoru magnetizace na vnějším poli. Tato vlastnost se projevuje u feromagnetik, stejně jako u slitin ze železa, niklu, kob altu. Podobný jev je pozorován nejen v případě změny směru a velikosti pole, ale také v případě jeho rotace.
Propustnost
Magnetická permeabilita je fyzikální veličina, která ukazuje poměr indukce v určitém prostředí k indukci ve vakuu. Pokud látka vytváří své vlastní magnetické pole, je považována za magnetizovanou. Podle Ampérovy hypotézy závisí hodnota vlastností na orbitálním pohybu „volných“elektronů v atomu.
Hysterezní smyčka je křivka závislosti změny velikosti magnetizace feromagnetika umístěného ve vnějším poli na změně velikosti indukce. Pro úplnou demagnetizaci použitého těla je třeba změnit směr vnějšího magnetického pole.
Při určité hodnotě magnetické indukce, která se nazývá koercitivní síla, se magnetizace vzorku stane nulovou.
Je to tvar hysterezní smyčky a velikost koercitivní síly, které určují schopnost látky udržet částečnou magnetizaci, vysvětlují široké použití feromagnetik. Výše jsou stručně popsány oblasti použití tvrdých feromagnetik s širokou hysterezní smyčkou. Wolframové, uhlíkové, hliníkové, chromové oceli mají velkou koercitivní sílu, proto na jejich základě vznikají permanentní magnety různých tvarů: pásek, podkova.
Mezi měkkými materiály s malou donucovací silou zaznamenáváme železné rudy a také slitiny železa a niklu.
Proces obrácení magnetizace feromagnetik je spojen se změnou v oblasti spontánní magnetizace. K tomu se využívá práce vykonaná vnějším polem. Množstvíteplo generované v tomto případě je úměrné ploše hysterezní smyčky.
Závěr
V současné době se ve všech odvětvích techniky aktivně používají látky s feromagnetickými vlastnostmi. Kromě významných úspor energetických zdrojů může použití takových látek zjednodušit technologické procesy.
Například vyzbrojení silnými permanentními magnety můžete značně zjednodušit proces vytváření vozidel. Výkonné elektromagnety, používané v současnosti v tuzemských i zahraničních automobilkách, umožňují plně automatizovat ty nejnáročnější technologické procesy a také výrazně urychlují proces montáže nových vozidel.
V radiotechnice umožňují feromagnety získat zařízení nejvyšší kvality a přesnosti.
Vědcům se podařilo vytvořit jednokrokovou metodu výroby magnetických nanočástic, které jsou vhodné pro aplikace v lékařství a elektronice.
Výsledkem četných studií provedených v nejlepších výzkumných laboratořích bylo možné stanovit magnetické vlastnosti nanočástic kob altu a železa potažených tenkou vrstvou zlata. Jejich schopnost přenášet protirakovinná léčiva nebo atomy radionuklidů do správné části lidského těla a zvyšovat kontrast snímků magnetické rezonance již byla potvrzena.
Takové částice lze navíc použít k upgradu magnetických paměťových zařízení, což bude nový krok při vytváření inovativníholékařské technologie.
Týmu ruských vědců se podařilo vyvinout a otestovat metodu redukce vodných roztoků chloridů za účelem získání kombinovaných nanočástic kob altu a železa vhodných pro tvorbu materiálů se zlepšenými magnetickými vlastnostmi. Veškerý výzkum prováděný vědci je zaměřen na zlepšení feromagnetických vlastností látek, zvýšení jejich procentuálního využití ve výrobě.
