Ферромагнетики. Виды и свойства. Применение и особенности

Ферромагнетики – это особый вид твердых веществ, отличающихся возможностью образования в них собственного магнитного поля. Их способность притягивать или отталкивать металлические предметы, проявляющаяся как приобретенное свойство, зависит от целого ряда факторов. К ним относятся сильные деформационные воздействия, колебания температуры, а также наличие внешнего магнитного поля.

Магнитные свойства ферромагнетиков

Особенности ферромагнетиков в первую очередь проявляются в положительной магнитной восприимчивости, имеющей значения порядка 10 в 4-5 степени. При увеличении напряженности внешнего поля намагниченность и индукция в таких веществах растут нелинейно. К другим отличительным свойствам ферромагнетиков относят наличие у них собственной намагниченности, проявляющейся даже в отсутствии внешнего магнитного поля. Это присущее им от природы качество объясняется упорядоченным расположением электронных спинов – источников множества микроскопических по величине магнитных полей.

Еще одно специфическое свойство ферромагнетиков, отличающее эти вещества, например, от диамагнетиков состоит в том, что их собственные магнитные поля могут превосходить по величине сторонние воздействия.

Какие материалы относятся к категории «ферромагнетики»

В природе известно множество материалов и веществ, обладающих магнитными свойствами благодаря особенностям своей структуры. К ним в первую очередь относятся ферриты, представляющие собой химические соединения оксидов Fe с окислами других веществ. Самый известный представитель этого класса – магнитный железняк.

Кроме того, ферромагнитные свойства наблюдаются у следующей группы распространенных веществ:

Железо техническое.
Оксиды ферритовых материалов.
Низкоуглеродистая сталь.
Листовая сталь электротехническая.

К этому перечню следует добавить пермаллои, изготавливаемые в виде железно-никелевых сплавов и отличающиеся высоким показателем магнитной проницаемости.

Разновидности ферромагнетиков

Ферромагнитные материалы, прежде всего, различаются по характеру взаимодействия их собственных полей с аналогичными внешними воздействиями. По этому признаку выделяют две большие группы ферромагнетиков, условно названные «магнитно-мягкими» и «магнитно-жесткими» веществами. Первая из этих разновидностей характеризуется способностью полностью лишаться собственного магнитного поля после исчезновения внешнего (как говорится – «размагничиваться»).

Подобные вещества нередко используются в электротехнической промышленности для производства трансформаторных сердечников и мощных электромагнитов.

В отличие от них условно-жесткие материалы сохраняют свои магнитные свойства даже после исчезновения внешнего воздействия. Они применяются при производстве таких распространенных изделий, как постоянные магниты и жесткие диски, на которых удается хранить большие объемы информации.

Основные технические характеристики

Ферромагнетики и производимые на их основе изделия отличаются уникальными эксплуатационными характеристиками это:

Магнитные свойства материалов проявляются только в тех случаях, если вещество имеет кристаллическую структуру.
Для их сохранения необходимо, чтобы температура окружающей среды не превышала определенного критического значения (так называемой «точки Кюри»).
Изменить ориентацию магнитных диполей в этих веществах удается с большим трудом, следствием чего является их слабая реакция на внешние воздействия.
Состояние диполей ферромагнетиков зависит от теплового движения молекул вещества, что только подтверждает зависимость их эксплуатационных характеристик и свойств от температуры.

Температурный показатель распада доменной структуры у различных видов ферромагнетиков отличается очень сильно. При достижении точки Кюри практически все ферромагнетики переходят в иное физическое состояние, по своим характеристикам соответствующее категории «парамагнетики». Для чистого железа, в частности, такой переход осуществляется при температурах порядка 900°C. Стороннее намагничивание с помощью слабых магнитных полей происходит до момента насыщения, определяемого типом используемого вещества. Приобретенная им магнитная проницаемость зависит от параметров воздействующих полевых образований.

Ферромагнетики как вещества с нелинейными характеристиками обладают остаточной намагниченностью (коэрцитивной силой). Подтверждением этому служит наглядный эксперимент с воздействием внешнего магнитного поля на стержень из ферромагнитного материала. При проведении опыта этот предмет помещается внутрь соленоида с протекающим по нему током, после чего значение намагниченности доводится до состояния насыщения. Для этого поток электронов в катушке постепенно увеличивается и достигает предельного значения

После уменьшения тока в катушке соленоида и размагничивании ферромагнетика индукция поля в стержне частично сохранится (при этом ее величина будет несколько меньше той, что достигалась при намагничивании).

Объяснение свойств ферромагнетиков с точки зрения особенностей строения их атомов

Ферромагнетики – это, как правило, твердые материалы, атомы которых характеризуются незаполненными до конца внешними электронными оболочками (их общее количество соответствует нечетным числам). В результате у них появляется собственный орбитальный момент (спин), определяющий магнитные свойства конкретного образца. Типичные представители этих веществ – переходные металлы, к которым относятся:

Железо (Fe).
Никель (Ni).
Кобальт.
Гадолиний.
Диспрозий.
Тербий.
Гольмий.

К этому перечню следует добавить два таких редких металла, как эрбий и тулий.

Строение атомов учитывается и при рассмотрении искусственных соединений с веществами, не проявляющими ферромагнитных свойств. В них электроны полностью заполняют наружные оболочки (их количество становится четным), что приводит к полной компенсации собственных магнитных моментов. В этом случае намагниченности веществ не наблюдается.

Как объясняются потери ферромагнетиками своих свойств

Вещества, обладающие ферромагнитными характеристиками, сохраняют их лишь при определенных температурах. Они теряют эти свои свойства по причинам это:

В ферромагнетиках суммарный момент вращения спинов атомов имеет отличную от нуля величину и определенное направление (вектор поля).
С возрастанием температуры вещества число произвольных флуктуаций магнитных моментов увеличивается.
При ее приближении к точке Кюри происходит полное разрушение системы ориентаций спинов температурными флуктуациями.
Одновременно с этим наблюдается переход вещества в состояние, описываемое свойствами парамагнетиков.

Такие особенности поведения электронов в ферромагнетиках обязательно учитываются при использовании этих материалов в электрических и акустических приборах.

Определение температуры Кюри в лабораторных условиях

Определить точку перехода в немагнитное состояние можно практическим путем, если воспользоваться заготовкой какого-нибудь металла (например, никеля). Для этого потребуется подвесить никелевый кусочек в поле сильного магнита и проследить за тем, как он будет в нем располагаться. В определенных условиях притяжение постоянного магнита заставит его принять, например, горизонтальное положение.

Перед началом эксперимента из таблиц узнается точка Кюри для никеля, которая соответствует 360°C. Затем на заготовку металла направляется пламя газовой горелки и отслеживается момент, когда исследуемый образец изменит свое положение. После этого куску никеля дают остыть и фиксируют момент возвращения его в горизонтальное положение (когда он вновь приобретает ферромагнитные свойства).

Где применяются ферромагнетики

Благодаря своим уникальным характеристикам магнитные вещества широко применяются в самых различных электротехнических устройствах. С помощью ферромагнетиков магнитно-мягкого класса удается изготавливать:

Трансформаторы практически всех типов.
Электродвигатели и генераторы.
Элементы слаботочной аппаратуры связи.
Различные радиоэлектронные изделия.

Многие ферромагнетики под воздействием сторонних магнитных полей остаются намагниченными даже после того, как те исчезнут. Согласно предположению Ампера, полностью подтвержденному более поздними исследованиями, это их качество обусловлено наличием микроскопических токов в атомах материала. Упорядоченная ориентация создаваемых ими магнитных диполей приводит к появлению у ферромагнетиков притягивающих или отталкивающих свойств.

Последние активно используется в промышленности для производства постоянных магнитов, которые востребованы при изготовлении следующих изделий:

Электроизмерительные приборы различного класса.
Громкоговорители (динамические звуковые головки).
Телефонные капсюли.
Элементы звукозаписывающей аппаратуры.
Магнитные компасы и т. п.

Магнитные материалы, по своим характеристикам относящиеся к классу ферритов и обладающие свойствами полупроводников, широко применяются в различных радиотехнических устройствах и приборах. Эти вещества востребованы при изготовлении сердечников индуктивных катушек, а также при производстве магнитных дисков, пленок и лент.