Ферромагнетики - это что такое? Свойства, структура, применение ферромагнетиков

Ферромагнетики - это вещества, которые при температуре ниже точки Кюри проявляют способность к спонтанному намагничиванию даже в отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам относятся некоторые металлы и их сплавы, а также неметаллические соединения.

Основные свойства ферромагнетиков

Ферромагнетики это вещества, обладающие рядом уникальных магнитных свойств:

• Высокая магнитная проницаемость - способность легко намагничиваться во внешнем магнитном поле
• Остаточная намагниченность - сохранение намагниченности после снятия внешнего поля
• Коэрцитивная сила - сопротивление размагничиванию
• Высокая магнитная восприимчивость - изменение намагниченности под действием слабого магнитного поля
• Наличие гистерезиса - зависимости намагниченности от предыстории

Эти свойства определяют широкое применение ферромагнетиков в технике.

Причины возникновения ферромагнетизма

Ферромагнетики это вещества, в которых возникает спонтанное параллельное выравнивание магнитных моментов атомов или ионов. Причиной этого являются квантовомеханические эффекты обменного взаимодействия электронов соседних атомов и принцип Паули.

Согласно принципу Паули, электроны с параллельными спинами занимают более низкое энергетическое состояние. Поэтому при определенных условиях магнитные моменты атомов имеют тенденцию самопроизвольно выстраиваться параллельно друг другу.

Ферромагнетики это вещества, проявляющие спонтанный коллективный магнитный порядок благодаря квантовой природе их электронов.

Магнитная структура ферромагнетиков

Структура ферромагнетика представляет собой совокупность магнитных доменов - микроскопических областей с параллельным выравниванием магнитных моментов. Домены разделены доменными границами.

При наложении внешнего магнитного поля происходит рост доменов, ориентированных вдоль поля, за счет сокращения разнонаправленных доменов. Это приводит к намагничиванию образца. После снятия поля домены частично сохраняют приобретенную ориентацию, создавая остаточную намагниченность.

При нагревании выше точки Кюри тепловое движение разрушает упорядоченную структуру и вещество теряет ферромагнитные свойства.

Классификация и применение

Различают магнитомягкие и магнитожесткие ферромагнетики. Первые легко намагничиваются и размагничиваются, вторые сохраняют намагниченность. Их используют соответственно в электротехнике и для изготовления постоянных магнитов.

К ферромагнитным материалам относят:

1. Металлы - Fe, Co, Ni и сплавы на их основе
2. Ферриты - соединения железа с кислородом и другими элементами
3. Редкоземельные магниты - соединения редкоземельных металлов

Благодаря уникальной комбинации свойств, ферромагнетики находят широкое применение ферромагнетиков в различных областях науки и техники.

Магнитные домены

Магнитная структура ферромагнетиков представляет собой совокупность магнитных доменов – микроскопических областей с параллельным выравниванием магнитных моментов. Домены разделены доменными границами или доменными стенками.

Доменная структура возникает из-за того, что обменное взаимодействие носит локальный характер. На больших расстояниях энергетически выгодно ориентировать магнитные моменты в разных направлениях, уменьшая создаваемое ими поле.

Намагничивание ферромагнетиков

При наложении внешнего магнитного поля на ферромагнетик происходит рост доменов, ориентированных вдоль поля, за счет сокращения разнонаправленных доменов. Этот процесс сопровождается смещением доменных стенок.

Таким образом увеличивается доля магнитных моментов, направленных вдоль внешнего поля, что и приводит к намагничиванию образца. Явление носит скачкообразный характер – эффект Баркгаузена.

Остаточная намагниченность

После снятия внешнего магнитного поля домены частично сохраняют приобретенную ориентацию. Это связано с тем, что доменные стенки закрепляются на дефектах кристаллической решетки.

Так ферромагнетик приобретает остаточную намагниченность и способность сохранять магнитные свойства после намагничивания. Величина остаточной намагниченности зависит от материала и намагничивающего поля.

Размагничивание

Для размагничивания ферромагнетика необходимо «открепить» доменные стенки от дефектов решетки. Этого можно достичь нагреванием выше точки Кюри, механическим воздействием или переменным магнитным полем.

После размагничивания домены возвращаются к равновесной конфигурации с минимальной энергией и слабым внешним полем. Однако остаточная намагниченность может сохраняться миллионы лет.

Сравнение с диамагнетиками

В отличие от ферромагнетиков, у диамагнетиков отсутствуют эффекты спонтанного намагничивания и гистерезиса. Диамагнетики лишь слабо намагничиваются во внешнем поле, и их намагниченность сразу исчезает при снятии поля.

Однако существуют переходы между ферромагнетизмом и диамагнетизмом. Например, при нагревании выше точки Кюри ферромагнетик становится парамагнетиком или диамагнетиком в зависимости от материала.

Применение ферромагнетиков

Благодаря уникальным магнитным свойствам, ферромагнетики находят широкое применение в различных областях науки и техники.

Электротехника

В электротехнике ферромагнетики используются для изготовления электромагнитов, электродвигателей, генераторов, трансформаторов. Применяются магнитомягкие материалы, такие как кремнистые электротехнические стали.

Постоянные магниты

Для изготовления постоянных магнитов применяются магнитотвердые сплавы на основе железа, кобальта, никеля, а также редкоземельные магниты. Их подвергают специальной термообработке в магнитном поле.

Магнитные носители информации

Благодаря эффектам намагничивания и остаточной намагниченности, ферромагнетики широко используются в устройствах записи и хранения информации - жестких дисках, магнитных лентах.

Датчики магнитного поля

Высокая чувствительность ферромагнетиков к внешним магнитным полям позволяет создавать на их основе различные датчики для измерения напряженности поля, угловых и линейных перемещений.

Медицина

В медицинской технике используются ферромагнитные материалы для изготовления электромагнитов в установках магнитотерапии, а также контрастных веществ для магнитно-резонансной томографии.

Влияние температуры

Ферромагнитные свойства проявляются лишь в определенном температурном интервале ниже точки Кюри. При нагревании выше этой температуры тепловое движение нарушает упорядоченную магнитную структуру.

Потеря ферромагнетизма

По мере приближения к точке Кюри интенсивность спонтанного намагничивания постепенно падает. В точке Кюри ферромагнетик теряет способность к самопроизвольной намагниченности и переходит в парамагнитное состояние.

Восстановление свойств

Однако ферромагнитные свойства можно восстановить путем повторного охлаждения ниже точки Кюри. Происходит восстановление упорядоченного состояния магнитных моментов.

Зависимость точки Кюри

Температура Кюри зависит от химического состава ферромагнетика. Для чистых 3d-металлов она составляет порядка 1000°C, а для их сплавов и соединений может варьироваться в широких пределах.

Практическое применение

Зависимость магнитных свойств от температуры используется на практике. Например, для защиты электродвигателей от перегрузок их обмотки из ферромагнитных проводов нагреваются выше точки Кюри.

Перспективы исследований

Актуальной задачей является поиск ферромагнетиков с высокой точкой Кюри, пригодных для эксплуатации в широком интервале температур. Ведутся работы по созданию таких материалов.

Классификация ферромагнетиков

Существует несколько подходов к классификации ферромагнетиков в зависимости от их свойств и особенностей.

По величине остаточной индукции

По величине остаточной индукции различают магнитомягкие и магнитожесткие ферромагнетики. Первые обладают небольшой, а вторые - высокой остаточной индукцией.

1. По величине коэрцитивной силы. Аналогично, по значению коэрцитивной силы выделяют магнитотвердые и магнитомягкие ферромагнетики. Коэрцитивная сила характеризует сопротивление размагничиванию.
2. По ширине петли гистерезиса. Чем уже петля гистерезиса, тем легче размагнитить ферромагнетик. По этому критерию тоже выделяют магнитотвердые и магнитомягкие материалы.
3. По кристаллической структуре. Различают монокристаллические, поликристаллические и аморфные ферромагнетики в зависимости от структуры кристаллической решетки.
4. По химическому составу. По химическому составу выделяют металлические сплавы, ферриты, редкоземельные магниты и другие соединения с ферромагнитными свойствами.

Методы исследования ферромагнетиков

Для изучения магнитных свойств ферромагнетиков применяется целый ряд экспериментальных и теоретических методов.

• Измерение намагниченности. Основной характеристикой является намагниченность материала. Ее измеряют в зависимости от напряженности приложенного магнитного поля при различных температурах.
• Построение петель гистерезиса. Для количественной оценки магнитных потерь и остаточной намагниченности строятся петли гистерезиса. Это графическая интерпретация зависимости между намагниченностью и магнитным полем.
• Нейтронография. Метод позволяет исследовать магнитную структуру веществ на микроскопическом уровне, в частности определять параметры и ориентацию магнитных доменов.
• Математическое моделирование. С помощью компьютерного моделирования изучаются различные механизмы намагничивания ферромагнетиков, динамика доменных границ, температурные эффекты.

Перспективные направления

Актуальными задачами являются разработка новых методов исследования, позволяющих наблюдать поведение отдельных магнитных моментов в режиме реального времени.