Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики

Диамагнитная левитация

Диамагнитная левитация имеет ту же природу что и эффект Мейснера (полное вытеснение магнитного поля из материала), она наблюдается при гораздо более сильных полях, но зато не требует предварительного охлаждения. Некоторые опыты доступны любителям. Например, редкоземельный магнит с индукцией около 1 Тл может висеть между двух пластин висмута. В поле с индукцией 11 Тл можно стабилизировать и удерживать маленький магнит в воздухе между пальцами не касаясь его.

Магнитная восприимчивость материалов

Магнитная восприимчивость χ для изотропных тел определяется выражением

χ = Y / H

Yнамагниченность 1 г тела;
Hнапряженность внешнего намагниченного поля.
Материалt , °Сχ · 10 6
Азот18-0.34
Алюминий180.65
Алюминий сернокислый18-0.48
Алюминий хлористый19-0.6
Аммиак (газ)16-1.1
Аргон18-0.48
Ацетон15-0.58
Барий200.91
Барий сернокислый-0.306
Барий хлористый15-0.41
Бензол16.8-0.71
Бериллий хлористый17-0.6
Висмут18-1.38
260-1.02
Висмут бромистый19-0.33
Висмут иодистый20-0.49
Вода10-0.72
Водород18-1.98
Водород хлористый22-0.66
Воздух2024.2
Вольфрам160.28
Гадолиний хлористый1891
Гадолиния окись20130.1
Гелий18-0.47
Глицерин20-0.54
Железа окись20189.1
Железо бромное1848
Железо сернокислое1974.2
Железо хлористое17101.2
Железо хлорное2086.2
Золото18-0.15
Золото-256.6-0.13
Иридий250.14
2000.17
4500.2
8500.26
11500.31
Кадмий18-0.18
Калий200.52
Калий бромистый-0.377
Калий железосинеродистый217.08
Калий марганцевокислый210.175
Калий хлористый20-0.52
Кальций201.1
Кварц20-0.49
Кислород20106.2
Кислород жидкий-195259.6
Кислород твердый-24060
Кислота азотная22-0.467
Кислота серная22-0.44
Кислота уксусная20-0.53
Кобальт иодистый1832
Кобальт сернокислый2259.6
Кобальт хлористый2590.5
Кремний20-0.13
Литий160.5
Магний180.55
Магний бромистый20-0.57
Магний жидкий7000.55
Магний хлористый120.58
Марганец229.9
Марганец сернокислый2488.5
Марганец хлористый24107
Медь18-0.085
Молибден180.04
Натрий180.51
Натрий сернокислый16-0.86
Натрий хлористый18-0.5
Неон18-0.33
Нефть15–20ок. -0,8
Никель бромистый1819
Никель сернокислый15.926.7
Никель хлористый2444.7
Никеля закись48.3
Олово180.025
Олово двуххлористое-0.34
Олово жидкое400-0.036
Олово серое18-0.35
Палладий185.4
2004.6
7502.6
12301.7
Парафин20ок. -0,5
Платина181.1
2500.66
7000.45
12200.3
Ртуть18-0.19
Ртуть твердая-80-0.15
Свинец16-0.11
Свинец бромистый20-0.28
Свинец жидкий330-0.08
Свинец иодистый19-0.33
Свинец хлористый15-0.32
Сера ромб18-0.49
Сера жидкая113-0.49
Сера жидкая220-0.49
Серебро16-0.2
Спирт бутиловый-0.74
Спирт метиловый-3-0.65
Спирт этиловый19-0.74
Стекло (крон)-0.9
Сурьма16-0.87
Сурьма жидкая800-0.49
Сурьма треххлористая15-0.36
Сурьмы трехокись14-0.19
Тантал180.87
8200.77
Углекислота18-0.42
Углерод алмаз18-0.49
400-0.51
1200-0.56
Углерод графит20-3.5
-170-6
600-2
1000-1.3
Фосфор белый20-0.9
Хлор жидкий-60-0.57
Хлороформ15-0.49
Хром183.6
11004.2
Хром сернокислый2129.5
Хром хлористый1944.3
Хрома трехокись170.51
Цинк18-0.157
Цинк бромистый19-0.4
Цинк жидкий450-0.09
Цинк сернокислый-0.48
Цинк хлористый22-0.47
Шеллак-0.3
Эбонит200.6
Эрбий1822
Этилацетат6-0.607
Этилен20-1.6
Этилен хлористый-0.602
Эфир этиловый20-0.77

Представители ферромагнетиков

Среди химических элементов

Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы Fe, Со и Ni (3d-металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Ho, Er (см. Таблицу 1).

Таблица 1. — Ферромагнитные металлы

МеталлыTc, КJs0, Гс
Fe10431735,2
Co14031445
Ni631508,8
Gd2891980
МеталлыTc, КJs0, Гс
Tb2232713
Dy871991,8
Ho203054,6
Er19,61872,6

Js0 — величина намагниченности единицы объёма при абсолютном нуле температуры, называемая спонтанной намагниченностью. Tc — точка Кюри (критическая температура, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком).

Для 3d-металлов и для гадолиния (Gd) характерна коллинеарная ферромагнитная атомная структура, а для остальных редкоземельных ферромагнетиков — неколлинеарная (спиральная и др.; см. Магнитная структура).

Среди соединений

Ферромагнитами также являются многочисленные металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами, сплавы и соединения хрома (Cr) и марганца (Mn) с неферромагнитными элементами (так называемые гейслеровы сплавы), например, сплав Cu2MnAl, соединения ZrZn2 и ZrxM1−xZn2 (где М — это Ti, Y, Nb или Hf), Au4V, Sc3In и др. (Таблица 2), а также некоторые соединения металлов группы актиноидов (например, UH<sub>3</sub>).

СоединениеTc, КСоединениеTc, К
Fe3AI743TbN43
Ni3Mn773DyN26
FePd3705EuO77
MnPt3350MnB578
CrPt3580ZrZn235
ZnCMn3353Au4V42—43
AlCMn3275Sc3ln5—6

Другие известные

Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов (например, Fe или Со) в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях, аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стёклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т. п. Число известных неметаллических ферромагнетиков пока невелико. Это, например, оксид хрома(IV) и ионные соединения типа La1−xCaxMnO3(0,4 > x > 0,2), EuO, Eu<sub>2</sub>SiO<sub>4</sub>, EuS, EuSe, EuI2, CrB3 и т. п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB3 значение Q составляет порядка 100 К.

Фольгированные ленты

Фольгированные экранирующие ленты применяются в следующих целях:

  • Экранирование широкополосных электромагнитных помех. Чаще всего их используют для дверей и стенок электрических шкафов с приборами, а также для формирования экрана вокруг отдельных элементов (соленоиды, реле) и кабелей.
  • Отвод статического заряда, который накапливается на приборах, содержащих полупроводники и электронно-лучевые трубки, а также в устройствах, служащих для ввода-вывода информации из компьютера.
  • В качестве компонента цепей заземления.
  • Для уменьшения электростатического взаимодействия между обмотками трансформаторов.

Конструктивно они выполняются на основе проводящего адгезивного материала (акриловая смола) и фольги (с рифленой или гладкой поверхностью), сделанной из следующих видов металла:

  • алюминий;
  • медь;
  • луженая медь (для пайки и лучшей антикоррозионной защиты).

Ферромагнитные материалы магнитно-мягкой группы

Данные материалы активно используются в магнитопроводах разнообразных технических изделий с постоянным, либо переменным (к примеру, в трансформаторных магнитопроводах) магнитным потоком. Они характеризуются небольшой (не более 400А/м) коэрцитивной силой при хороших показателях магнитной проницаемости (далее: проницаемости), и невысоких потерях гистерезисной природы. Сюда входят: техническое железо, а также, оксидные ферромагнетики, некоторые марки стали: низкоуглеродистой и электротехнической листовой, а также перамаллои (железно-никелевые сплавы, с высокой проницаемостью).

Техническое железо, содержит не свыше 0,04% углерода, а также различные стали и чугун часто используют в магнитопроводах, которые работают в постоянном магнитном поле. У него высокие показатели индукции насыщения (до 2,2 Тл) и проницаемости при небольшой коэрцитивной силе.

К электротехническим сталям принадлежат сплавы железа с кремнием, которого может содержаться 1 – 4%. Варьируя процент кремния, а также, используя различные технологические методы, получают материалы с различающимися магнитными параметрами. Наличие кремния способствует улучшению магнитных параметров железа: повышению как начальной, так и наивысшей проницаемости при дополнительном снижении и коэрцитивной силы, и гистерезисных энергопотерь. При этом повышается сопротивление, что также полезно, поскольку в результате, становится меньше т.н. вихревых токов, неизбежно образующихся при повторяющихся изменениях параметров поля. Именно эти токи являются одной из основных причин нагрева магнитопроводов.

Электротехнические стали с невысоким процентом кремния характеризуются слабой проницаемостью при высоких показателях индукции насыщения и значительными удельными потерями. Их используют в различных потребителях постоянного, либо, низкочастотного переменного тока. Сталь с более высоким процентом кремния используют при необходимости хорошей проницаемости в условиях слабых, либо средних полей, минимизации потерь от вихревых токов и гистерезиса. Данные стали могут использоваться в магнитопроводах, которые работают при высокочастотном переменном токе.

Пермаллои

Этим термином обозначается ряд сплавов железа и никеля. Содержание компонентов в них различается, также, в состав некоторых из пермаллоев могут входить другие легирующие добавки вроде молибдена или хрома. Все пермаллои отличаются превосходной проницаемостью, превосходя по данному показателю электротехническую (кремниевую) сталь в 10-15 раз.

Показатели напряженности поля, необходимой для достижения индукции насыщения у этих сплавов невысоки (от десятых долей до сотен А/м) и зависят от конкретного сплава. У одних индукция насыщения очень низка, их Bs может составлять 0,6-0,8 Тл, у других – значительно выше: 1,3-1,6 Тл. К первой категории относятся сплавы с большим содержанием никеля. К примеру сплав, состоящий из никеля на 79% при 3,8% молибдена имеет следующие характеристики: μн=22000; μmax=120000; Bs=0,75Тл. К другой категории принадлежат пермаллои, где содержится значительно меньше никеля. Так, у сплава с содержанием никеля 45% характеристики следующие: μн =2500; μmax=23000; Bs=1,5Тл.

Рисунок 1 — Петля гистерезиса пермаллоев

В пермаллоях, где петля гистерезиса имеет форму, напоминающую прямоугольник (рис. 1), уровень её близости к классической прямоугольной форме соответствует отношению значений остаточной (Br) к наибольшей (Bmax) индукции. За Bmax здесь принимается показатель индукции в поле, с напряженностью выше коэрцитивной силы в 5-10 раз. Данное отношение может составлять до 0,85-0,99. Коэрцитивная сила у подобных пермаллоев составляет от 1 до 30 А/м.

Магнитные качества пермаллоев во многом определяются не только их составом, но и методом их производства.

Ферриты

К группе ферритов относятся ферромагнетики, получаемые смешиванием окислов нескольких элементов, в число которых обязательно входит железо и цинк. Процесс их изготовления состоит в следующем. Сначала нужная смесь измельчается, затем спрессовывается и отжигается при 1200°С. В результате получается готовый магнитопровод заданной формы.

У ферритов весьма значительно удельное сопротивление, поэтому потери от вихревых токов минимальны. Это делает их востребованными для использования при высокочастотных токах.

Начальная проницаемость ферритов также весьма значительна при невысокой индукции насыщения (0,18 — 0,32 Тл) и небольшой коэрцитивной (8 – 80 А/м) силе.

Основные характеристики

Для описания процесса экранирования применяются 3 основные характеристики:

  • Эквивалентная глубина проникновения магнитного поля. Итак, продолжим. Этот показатель используется для экранирующего эффекта вихревых токов. Чем меньше его значение, тем выше ток, протекающий в поверхностных слоях защитного кожуха. Соответственно, тем больше наводимое им магнитное поле, которое вытесняет внешнее. Эквивалентная глубина определяется по формуле, указанной ниже. В этой формуле ρ и μr – удельное сопротивление и относительная магнитная проницаемость материала экрана соответственно (единицы измерения первой величины – Ом∙м); f – частота поля, измеряемая в МГц.
  • Эффективность экранирования e – отношение напряженности магнитного поля в экранируемом пространстве при отсутствии и наличии экрана. Данная величина тем выше, чем больше толщина экрана и магнитная проницаемость его материала. Магнитная проницаемость – это показатель, характеризующий, во сколько раз индукция в веществе отличается от таковой в вакууме.
  • Уменьшение напряженности магнитного поля и плотности вихревых токов на глубине x от поверхности защитного кожуха. Показатель рассчитывают по формуле, приведенной ниже. Здесь А – значение на поверхности экрана, x – глубина, на которой напряженность или плотность токов снижается в e раз.

Ферромагнетизм

Как указано выше, ферромагнетики — это вещества, у которых магнитная проницаемость μ очень велика (μ»1). Кроме того, ферромагнетики обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Особые свойства ферромагнетиков обусловливаются двумя факторами: 1) наличием нескомпенсированных магнитных моментов в недостроенных электронных оболочках; 2) особой кристаллической структурой ферромагнетиков.

Специальные опыты, проведенные де Гаазом, показали, что ферромагнетизм обусловлен спиновым магнитным моментом электронов, а не их орбитальным движением. Причем в этих веществах образуются целые области (домены), в которых нескомпенсированные спиновые моменты ориентированы в одном направлении. При отсутствии магнитного поля домены ориентированы хаотически, а при наложении внешнего магнитного поля ориентируются вдоль него (рис. 1).

Рис. 1

Этим объясняются свойства ферромагнетиков:

1) ферромагнитные свойства вещества проявляются только тогда, когда соответствующее вещество находится в кристаллическом состоянии;

2) для каждого вещества имеется определенная температура (точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают и ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик;

3) магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от внешнего магнитного поля (рис. 2).

Рис. 2

Вначале μ растет с увеличением \(~B_0\) затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 (при значении магнитной индукции \(~B’_0\) все домены ориентированы вдоль поля и при дальнейшем увеличении \(~B_0\) магнитная индукция \(~B_1\) в образце перестает изменяться, а \(~B_0\) увеличивается и магнитная проницаемость уменьшается;

\(~\mu = \frac B{B_0} = \frac {B_0 + B_1}{B_0} = 1 + \frac {B_1}{B_0}\)

4) ферромагнетики намагничиваются до насыщения в слабых магнитных полях. На рисунке 3 показано, как изменяется магнитная индукция \(~B\) в стали с изменением внешнего поля \(~B_0\). Для сравнения: парамагнетик намагничивается до насыщения в полях с \(~B_0 \)= 100 ÷ 1000 Тл;

Рис. 3

5) у ферромагнетиков наблюдается остаточная намагниченность. Если, например, ферромагнитный стержень поместить в соленоид, по которому проходит ток, и намагнитить до насыщения (точка А) (рис. 4), а затем уменьшать ток в соленоиде, а вместе с ним и \(~B_0\), то можно заметить, что индукция поля в стержне в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда \(~B_0 = 0\) (ток в соленоиде выключен), индукция будет равна \(~B_r\) (остаточная индукция). Стержень можно вынуть из соленоида и использовать как постоянный магнит. Чтобы окончательно размагнитить стержень, нужно пропустить по соленоиду ток противоположного направления, т.е. приложить внешнее магнитное поле с противоположным направлением \(~\vec B_0\) . Увеличивая теперь по модулю индукцию этого поля, размагничивают стержень (\(~B =0\)). Модуль \(~B_{oc}\) индукции магнитного поля, размагничивающего намагниченный ферромагнетик, называют коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении \(~B_0\) можно намагнитить стержень до насыщения (точка А’).

Рис. 4

Уменьшая теперь \(~B_0\) до нуля, получают опять постоянный магнит, но с индукцией \(~-B_r\) противоположного направления. Чтобы вновь размагнитить стержень, нужно снова включить в соленоид ток первоначального направления, и стержень размагнитится, когда индукция \(~B_0\) станет равной \(~B_{oc}\). Продолжая увеличивать \(~B_0\), снова намагничивают стержень до насыщения (точка А).

Таким образом, при намагничивании и размагничивании ферромагнетика индукция \(~B\) отстает от \(~B_0\). Это отставание \(~B\) от \(~B_0\) называется явлением гистерезиса. Изображенная на рисунке 4 кривая называется петлей гистерезиса. Величины \(~B_r\), \(~B_{oc}\) и \(~\mu_m\) определяют область применения ферромагнетиков для практических целей. Ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса (малое значение \(~B_r\) и \(~B_{oc}\)(рис. 5, а) называют мягкими, их используют для изготовления сердечников трансформаторов, генераторов, двигателей, где ферромагнетик подвергается частым перемагничиваниям. Ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса (большое значение \(~B_r\) и \(~B_{oc}\)) (рис. 5, б) называют жесткими и используют для изготовления постоянных магнитов;

Рис. 5

6) процесс намагничивания ферромагнетиков сопровождается изменением их линейных размеров и объема. Это явление называется магнитострикцией.

Суть

Магнитные свойства материалов в основном обусловлены магнитными моментами орбитальных электронов их атомов. Магнитные моменты ядер атомов обычно в тысячи раз меньше, чем у электронов, а посему они незначительны в контексте намагничивания материалов. Ядерные магнитные моменты тем не менее очень важны в других контекстах, особенно в ядерно-магнитном резонансе (ЯМР) и магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Обычно огромное количество электронов в материале устроено так, что их магнитные моменты (как орбитальные, так и внутренние) сводятся на нет. В некоторой степени это связано с тем, что электроны объединяются в пары с противоположными собственными магнитными моментами в результате принципа Паули (см. Конфигурацию электронов) и объединяются в заполненные подоболочки с нулевым суммарным орбитальным движением.

В обоих случаях электроны преимущественно используют схемы, в которых магнитный момент каждого электрона нейтрализуется противоположным моментом другого электрона. Более того, даже когда конфигурация электронов такова, что существуют неспаренные электроны и / или незаполненные подоболочки, часто бывает так, что различные электроны в твердом теле будут вносить магнитные моменты, которые указывают в разных, случайных направлениях, так что материал не будет магнитным.

Иногда, либо самопроизвольно, либо из-за приложенного внешнего магнитного поля — каждый из магнитных моментов электронов будет в среднем выстроен в линию. Подходящий материал может затем создать сильное чистое магнитное поле.

Магнитное поведение материала зависит от его структуры, в частности от электронной конфигурации, по причинам, указанным выше, а также от температуры. При высоких температурах случайное тепловое движение затрудняет выравнивание электронов.

Экранирование кабелей

Защита от магнитного поля необходима при прокладке кабелей. Электрические токи, наводящиеся в них, могут быть вызваны включением бытовой техники в помещении (кондиционеры, люминесцентные светильники, телефоны), а также лифтов в шахтах. Особенно большое влияние эти факторы оказывают на цифровые системы связи, работающие по протоколам с широкой полосой частот. Это связано с малой разницей между мощностью полезного сигнала и помехами в верхней зоне спектра. Кроме этого, электромагнитная энергия, которую излучают кабельные системы, неблагоприятно воздействует на здоровье персонала, работающего в помещении.

Между парами проводов возникают перекрестные наводки, обусловленные присутствием емкостной и индуктивной связи между ними. Электромагнитная энергия кабелей также отражается из-за неоднородностей их волнового сопротивления и ослабляется в виде тепловых потерь. В результате затухания мощность сигнала в конце протяженных линий падает в сотни раз.

В настоящее время в электротехнической промышленности практикуется 3 метода экранирования кабельных трасс:

  • Применение цельнометаллических коробов (из стали или алюминия) или установка металлических вставок в пластиковые. При росте частоты поля экранирующая способность алюминия снижается. Недостатком также является дороговизна коробов. Для длинных кабельных трасс существует проблема обеспечения электрического контакта отдельных элементов и их заземления для обеспечения нулевого потенциала короба.
  • Использование экранированных кабелей. Этот метод обеспечивает максимальную защиту, так как оболочка окружает непосредственно сам кабель.
  • Вакуумное напыление металла на ПВХ-канал. Такой способ малоэффективен на частотах до 200 МГц. «Гашение» магнитного поля меньше в десятки раз по сравнению с укладкой кабеля в металлические короба из-за высокого удельного сопротивления.

Особенности ферромагнетиков

Какими отличительными характеристиками обладают ферромагнетики? Свойства и применение этих веществ объясняется особенностями внутреннего строения. Существует прямая зависимость между магнитными свойствами вещества и элементарными носителями магнетизма, в роли которых выступают электроны, движущиеся внутри атома.

Во время движения по круговым орбитам они создают элементарные токи и магнитные диполи, имеющие магнитный момент. Его направление определяется по правилу буравчика. Магнитный момент тела является геометрической суммой всех частей. Помимо вращения по круговым орбитам, электроны также движутся вокруг собственных осей, создавая спиновые моменты. Именно они выполняют важную функцию в процессе намагничивания ферромагнетиков.

Практическое применение ферромагнетиков связано с образованием в них самопроизвольных намагниченных областей, у которых параллельная ориентация спиновых моментов. Если ферромагнетик на располагается во внешнем поле, в таком случае отдельные магнитные моменты имеют разные направления, их сумма равна нулю и отсутствует свойство намагниченности.

Новое время

Понимание взаимосвязи между электричеством и материалами со специальными магнитными свойствами появилось в 1819 году в работе Ханса Кристиана Эрстеда, профессора в Копенгагенском университете, который обнаружил в результате случайного подергивания стрелки компаса возле провода, что электрический ток может создать магнитное поле. Этот знаменательный эксперимент известен как Эксперимент Эрстеда. Несколько других экспериментов последовали с Андре-Мари Ампера, который в 1820 году обнаружил, что магнитное поле, циркулирующее по замкнутому пути, было связано с током, протекающим по периметру пути.

Карл Фридрих Гаусс занимался исследованием магнетизма. Жан-Батист Био и Феликс Савар в 1820 году придумали закон Био-Савара, дающий нужное уравнение. Майкл Фарадей, который в 1831 году обнаружил, что изменяющийся во времени магнитный поток через петлю провода вызывал напряжение. А другие ученые находили дальнейшие связи между магнетизмом и электричеством.

Представители ферромагнетиков

Среди химических элементов

Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы Fe, Со и Ni (3d-металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Ho, Er (см. Таблицу 1).

Таблица 1. — Ферромагнитные металлы

МеталлыTc, КJs0, Гс
Fe10431735,2
Co14031445
Ni631508,8
Gd2891980
МеталлыTc, КJs0, Гс
Tb2232713
Dy871991,8
Ho203054,6
Er19,61872,6

Js0 — величина намагниченности единицы объёма при абсолютном нуле температуры, называемая спонтанной намагниченностью. Tc — точка Кюри (критическая температура, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком).

Для 3d-металлов и для гадолиния (Gd) характерна коллинеарная ферромагнитная атомная структура, а для остальных редкоземельных ферромагнетиков — неколлинеарная (спиральная и др.; см. Магнитная структура).

Среди соединений

Ферромагнитами также являются многочисленные металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами, сплавы и соединения хрома (Cr) и марганца (Mn) с неферромагнитными элементами (так называемые гейслеровы сплавы), например, сплав Cu2MnAl, соединения ZrZn2 и ZrxM1−xZn2 (где М — это Ti, Y, Nb или Hf), Au4V, Sc3In и др. (Таблица 2), а также некоторые соединения металлов группы актиноидов (например, UH3).

СоединениеTc, КСоединениеTc, К
Fe3AI743TbN43
Ni3Mn773DyN26
FePd3705EuO77
MnPt3350MnB578
CrPt3580ZrZn235
ZnCMn3353Au4V42—43
AlCMn3275Sc3ln5—6

Другие известные

Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов (например, Fe или Со) в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях, аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стёклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т. п. Число известных неметаллических ферромагнетиков пока невелико. Это, например, оксид хрома(IV) и ионные соединения типа La1−xCaxMnO3(0,4 > x > 0,2), EuO, Eu2SiO4, EuS, EuSe, EuI2, CrB3 и т. п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB3 значение Q составляет порядка 100 К.

Магнитные свойства ферромагнитных материалов

Как и ферромагнетизм, ферримагнетики сохраняют свою намагниченность в отсутствие поля. Однако, как и антиферромагнетики, соседние пары электронных спинов имеют тенденцию указывать в противоположных направлениях. Эти два свойства не противоречат друг другу, потому что в оптимальном геометрическом расположении магнитный момент от подрешетки электронов, которые указывают в одном направлении, больше, чем от подрешетки, которая указывает в противоположном направлении.

Большинство ферритов являются ферримагнитными. Магнитные свойства ферромагнитных материалов на сегодняшний день считаются неоспоримыми. Первое обнаруженное магнитное вещество, магнетит, является ферритом и первоначально считалось ферромагнетиком. Однако Луи Неэль опроверг это, открыв ферримагнетизм.

Когда ферромагнетик или ферримагнетик достаточно мал, он действует как один магнитный спин, который подвержен броуновскому движению. Его реакция на магнитное поле качественно аналогична реакции парамагнетика, но намного больше.

ХХ век и наше время

Джеймс Клерк Максвелл синтезировал и расширил это понимание уравнений Максвелла, объединив электричество, магнетизм и оптику в области электромагнетизма. В 1905 году Эйнштейн использовал эти законы, мотивируя свою теорию специальной теории относительности, требуя, чтобы законы сохранялись во всех инерциальных системах отсчета.

Электромагнетизм продолжал развиваться в XXI веке, будучи включенным в более фундаментальные теории калибровочной теории, квантовой электродинамики, электрослабой теории и, наконец, в стандартную модель. В наше время ученые уже вовсю изучают магнитные свойства наноструктурных материалов. Но самые великие и удивительные открытия в этой области, вероятно, все еще ждут нас впереди.

Ренессанс

В 1600 году Уильям Гилберт опубликовал свои «Магнетический корпус» и «Магнитное теллур» («О магните и магнитных телах, а также о Великом магните Земли»). В этой работе он описывает многие из своих экспериментов со своей модельной землей, называемой терреллой, с помощью которой он проводил исследование свойств магнитных материалов.

Из своих экспериментов он пришел к выводу, что Земля сама по себе является магнитной и что именно поэтому компасы указывали на север (ранее некоторые полагали, что именно полярная звезда (Polaris) или большой магнитный остров на Северном полюсе притягивал компас).

Электромагниты

Магнитное поле формируется из-за перемещения электрического тока. Оно выключится, как только ток исчезнет. Их активно применяют в электрических устройствах (генератор, двигатель, громкоговоритель, реле, жесткий диск).

Электрический ток в проводе формирует вокруг него магнитное поле. Чтобы сконцентрировать его, на катушку множество раз наматывают проволоку. Магнитное поле от каждого завитка проходит сквозь центр катушки, формируя внутри мощное магнитное поле. По форме катушка напоминает вытянутую трубу (спираль) – соленоид. Если внутри скрыта сердцевина (например, из мягкого железа), то мощность увеличивается.

Простой электромагнит, представленный изолированной проволокой катушкой с железным сердечником. Генерируемая магнитным полем сила выступает пропорциональной величине тока.

Направление магнитного поля сквозь катушку можно сравнить с правилом правой руки. Если пальцы имитируют скручивание катушки, то большой палец укажет на направление поля внутри нее. Сторона магнита, из которой появляются линии поля, определяется как северный полюс. Главное преимущество электромагнита в том, что он способен быстро создавать нужный диапазон поля. Но для этого требуется постоянно добавлять электрическую энергию.

Магнит и магнитные поля
  • Электрические токи и магнитные поля
  • Постоянные магниты
  • Линии магнитного поля
  • Геомагнетизм
Магниты
Магнитная сила на движущемся электрическом заряде
  • Величина магнитной силы
  • Направление магнитной силы: Правило правой руки
Движение заряженной частицы в магнитном поле
  • Электрические и магнитные силы
  • Постоянная скорость формирует прямую линию
  • Круговое движение
  • Спиральное движение
  • Примеры и приложения
Магнитные поля, магнитные силы и проводники
  • Эффект Холла
  • Магнитная сила на токопроводящем проводнике
  • Вращательный момент на токовой петле: прямоугольный и общий
  • Закон Ампера: создание магнитного поля в длинной прямой проволоке
  • Магнитная сила между двумя параллельными проводниками
Применение магнетизма
  • Масс-спектрометр
  • Ферромагнетизм
  • Парамагнетизм и диамагнетизм
  • Соленоиды, токовые петли и электромагниты

Электромагниты

Электромагнит — это магнит, в котором магнитное поле создается электрическим током. Магнитное поле исчезает, когда ток отключается. Электромагниты обычно состоят из большого количества близко расположенных витков провода, которые создают магнитное поле. Проволочные витки часто наматываются вокруг магнитного сердечника, изготовленного из ферромагнитного или ферримагнитного материала, такого как железо; магнитный сердечник концентрирует магнитный поток и создает более мощный магнит.

Основным преимуществом электромагнита перед постоянным магнитом является то, что магнитное поле можно быстро изменить, контролируя величину электрического тока в обмотке. Однако, в отличие от постоянного магнита, который не требует питания, электромагнит требует непрерывной подачи тока для поддержания магнитного поля.

Электромагниты широко используются в качестве компонентов других электрических устройств, таких как двигатели, генераторы, реле, соленоиды, громкоговорители, жесткие диски, МРТ-аппараты, научные приборы и оборудование для магнитной сепарации. Электромагниты также используются в промышленности для захвата и перемещения тяжелых железных предметов, таких как металлолом и сталь. Электромагнетизм был открыт в 1820 году. Тогда же вышла первая классификация материалов по магнитным свойствам.

Природа ферромагнетиков

Учеными была установлена спиновая природа ферромагнетизма. При распределении электронов по энергетическим слоям учитывается принцип запрета Паули. Суть его в том, что на каждом слое может находиться только их определенное количество. Результирующие значения орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов, располагающихся на заполненной полностью оболочке, равны нулю.

Химические элементы, имеющие ферромагнитные свойства (никель, кобальт, железо), являются переходными элементами таблицы Менделеева. В их атомах происходит нарушение алгоритма заполнения электронами оболочек. Сначала они попадают на верхний слой (s-орбиталь), и только после его полного заполнения электроны попадают на оболочку, расположенную ниже (d-орбиталь).

Масштабное применение ферромагнетиков, основным из которых является железо, объясняется изменением строения при попадании во внешнее магнитное поле.

Подобными свойствами могут обладать только те вещества, в атомах которых существуют внутренние недостроенные оболочки. Но и этого условия недостаточно для того, чтобы вести речь о ферромагнитных характеристиках. Например, у хрома, марганца, платины также существуют недостроенные оболочки внутри атомов, но они являются парамагнетиками. Возникновение самопроизвольной намагниченности объясняется особым квантовым действием, которое сложно пояснить с помощью классической физики.

Заключение

В настоящее время во всех отраслях техники активно применяют вещества, обладающие ферромагнитными свойствами. Помимо существенной экономии энергетических ресурсов, благодаря применению подобных веществ можно упрощать технологические процессы.

Например, вооружившись мощными постоянными магнитами, можно существенно упростить процесс создания транспортных средств. Мощные электромагниты, применяемые в настоящее время на отечественных и зарубежных автомобильных комбинатах, позволяют полностью автоматизировать самые трудоемкие технологические процессы, а также существенно ускорить процесс сборки новых транспортных средств.

В радиотехнике ферромагнетики позволяют получать приборы высочайшего качества и точности.

Ученым удалось создать одношаговую методику изготовления магнитных наночастиц, которые подходят для применения в медицине и электронике.

В результате многочисленных исследований, проводимых в лучших исследовательских лабораториях, удалось установить магнитные свойства наночастиц кобальта и железа, покрытых тонким слоем золота. Уже подтверждена их способность переносить антираковое лекарство или атомы радионуклидов в нужную часть организма человека, увеличивать контрастность изображений магнитного резонанса.

Кроме того, такие частицы можно использовать для модернизации устройств магнитной памяти, что станет новым шагом в создании инновационной медицинской техники.

Коллективу российских ученых удалось разработать и апробировать методику восстановления водных растворов хлоридов для получения комбинированных кобальто-железных наночастиц, подходящих для создания материалов с усовершенствованными магнитными характеристиками. Все исследования, проводимые учеными, направлены на повышение ферромагнитных свойств веществ, увеличение их процентного использования в производстве.

Оцените статью:
Оставить комментарий
Adblock
detector