Ας εξετάσουμε τους κύριους τομείς εφαρμογής των σιδηρομαγνητών, καθώς και τα χαρακτηριστικά της ταξινόμησής τους. Ας ξεκινήσουμε με το γεγονός ότι σιδηρομαγνήτες ονομάζονται στερεά που έχουν ανεξέλεγκτη μαγνήτιση σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αλλάζει υπό την επίδραση της παραμόρφωσης, του μαγνητικού πεδίου, των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας.
Ιδιότητες των σιδηρομαγνητών
Η χρήση των σιδηρομαγνητών στην τεχνολογία εξηγείται από τις φυσικές τους ιδιότητες. Έχουν μαγνητική διαπερατότητα που είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από αυτή του κενού. Από αυτή την άποψη, όλες οι ηλεκτρικές συσκευές που χρησιμοποιούν μαγνητικά πεδία για να μετατρέψουν έναν τύπο ενέργειας σε άλλο έχουν ειδικά στοιχεία κατασκευασμένα από σιδηρομαγνητικό υλικό ικανό να διεξάγει μαγνητική ροή.
Χαρακτηριστικά των σιδηρομαγνητών
Ποια είναι τα διακριτικά χαρακτηριστικά των σιδηρομαγνητών; Οι ιδιότητες και η χρήση αυτών των ουσιών εξηγούνται από τις ιδιαιτερότητες της εσωτερικής δομής. Υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ των μαγνητικών ιδιοτήτων της ύλης και των στοιχειωδών φορέων του μαγνητισμού, που είναι ηλεκτρόνια που κινούνται μέσα στο άτομο.
Καθώς κινούνται σε κυκλικές τροχιές, δημιουργούν στοιχειώδη ρεύματα και μαγνητικάδίπολα που έχουν μαγνητική ροπή. Η κατεύθυνσή του καθορίζεται από τον κανόνα του gimlet. Η μαγνητική ροπή ενός σώματος είναι το γεωμετρικό άθροισμα όλων των μερών. Εκτός από την περιστροφή σε κυκλικές τροχιές, τα ηλεκτρόνια κινούνται επίσης γύρω από τους δικούς τους άξονες, δημιουργώντας στιγμές σπιν. Εκτελούν μια σημαντική λειτουργία στη διαδικασία μαγνήτισης των σιδηρομαγνητών.
Η πρακτική εφαρμογή των σιδηρομαγνητών σχετίζεται με το σχηματισμό σε αυτούς αυθόρμητων μαγνητισμένων περιοχών με παράλληλο προσανατολισμό των ροπών σπιν. Εάν ο σιδηρομαγνήτης δεν βρίσκεται σε εξωτερικό πεδίο, τότε οι μεμονωμένες μαγνητικές ροπές έχουν διαφορετικές κατευθύνσεις, το άθροισμά τους είναι μηδέν και δεν υπάρχει ιδιότητα μαγνήτισης.
Διακριτικά χαρακτηριστικά των σιδηρομαγνητών
Εάν οι παραμαγνήτες σχετίζονται με τις ιδιότητες μεμονωμένων μορίων ή ατόμων μιας ουσίας, τότε οι σιδηρομαγνητικές ιδιότητες μπορούν να εξηγηθούν από τις ιδιαιτερότητες της κρυσταλλικής δομής. Για παράδειγμα, στην κατάσταση ατμού, τα άτομα σιδήρου είναι ελαφρώς διαμαγνητικά, ενώ στη στερεή κατάσταση αυτό το μέταλλο είναι σιδηρομαγνήτης. Ως αποτέλεσμα εργαστηριακών μελετών, αποκαλύφθηκε η σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας και των σιδηρομαγνητικών ιδιοτήτων.
Για παράδειγμα, το κράμα Goisler, παρόμοιο σε μαγνητικές ιδιότητες με το σίδηρο, δεν περιέχει αυτό το μέταλλο. Όταν επιτευχθεί το σημείο Κιουρί (μια ορισμένη τιμή θερμοκρασίας), οι σιδηρομαγνητικές ιδιότητες εξαφανίζονται.
Μεταξύ των χαρακτηριστικών τους, μπορεί κανείς να ξεχωρίσει όχι μόνο την υψηλή τιμή της μαγνητικής διαπερατότητας, αλλά και τη σχέση μεταξύ της έντασης του πεδίου και τουμαγνήτιση.
Η αλληλεπίδραση των μαγνητικών ροπών μεμονωμένων ατόμων ενός σιδηρομαγνήτη συμβάλλει στη δημιουργία ισχυρών εσωτερικών μαγνητικών πεδίων που ευθυγραμμίζονται παράλληλα μεταξύ τους. Ένα ισχυρό εξωτερικό πεδίο οδηγεί σε αλλαγή προσανατολισμού, που οδηγεί σε αύξηση των μαγνητικών ιδιοτήτων.
Φύση των σιδηρομαγνητών
Οι επιστήμονες έχουν καθιερώσει τη φύση spin του σιδηρομαγνητισμού. Κατά την κατανομή ηλεκτρονίων σε ενεργειακά στρώματα, λαμβάνεται υπόψη η αρχή του αποκλεισμού Pauli. Η ουσία του είναι ότι μόνο ένας συγκεκριμένος αριθμός από αυτούς μπορεί να είναι σε κάθε στρώμα. Οι προκύπτουσες τιμές των τροχιακών και των μαγνητικών ροπών σπιν όλων των ηλεκτρονίων που βρίσκονται σε ένα πλήρως γεμάτο κέλυφος είναι ίσες με μηδέν.
Χημικά στοιχεία με σιδηρομαγνητικές ιδιότητες (νικέλιο, κοβάλτιο, σίδηρος) είναι μεταβατικά στοιχεία του περιοδικού πίνακα. Στα άτομά τους, υπάρχει παραβίαση του αλγορίθμου για την πλήρωση κελυφών με ηλεκτρόνια. Αρχικά, εισέρχονται στο ανώτερο στρώμα (s-τροχιακό) και μόνο αφού γεμίσει πλήρως, τα ηλεκτρόνια εισέρχονται στο κέλυφος που βρίσκεται από κάτω (d-τροχιακό).
Η μεγάλης κλίμακας χρήση σιδηρομαγνητών, ο κύριος από τους οποίους είναι ο σίδηρος, εξηγείται από την αλλαγή στη δομή όταν εκτίθεται σε εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.
Παρόμοιες ιδιότητες μπορούν να έχουν μόνο εκείνες οι ουσίες στα άτομα των οποίων υπάρχουν εσωτερικά ημιτελή κελύφη. Αλλά και αυτή η συνθήκη δεν αρκεί για να μιλήσουμε για σιδηρομαγνητικά χαρακτηριστικά. Για παράδειγμα, το χρώμιο, το μαγγάνιο, η πλατίνα έχουν επίσηςημιτελή κελύφη μέσα στα άτομα, αλλά είναι παραμαγνητικά. Η εμφάνιση της αυθόρμητης μαγνήτισης εξηγείται από μια ειδική κβαντική δράση, η οποία είναι δύσκολο να εξηγηθεί χρησιμοποιώντας την κλασική φυσική.
Τμήμα
Υπάρχει μια υπό όρους διαίρεση τέτοιων υλικών σε δύο τύπους: σκληρούς και μαλακούς σιδηρομαγνήτες. Η χρήση σκληρών υλικών συνδέεται με την κατασκευή μαγνητικών δίσκων, ταινιών για την αποθήκευση πληροφοριών. Οι μαλακοί σιδηρομαγνήτες είναι απαραίτητοι για τη δημιουργία ηλεκτρομαγνητών, πυρήνων μετασχηματιστών. Οι διαφορές μεταξύ των δύο ειδών εξηγούνται από τις ιδιαιτερότητες της χημικής δομής αυτών των ουσιών.
Δυνατότητες χρήσης
Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε μερικά παραδείγματα χρήσης σιδηρομαγνητών σε διάφορους κλάδους της σύγχρονης τεχνολογίας. Τα μαλακά μαγνητικά υλικά χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρική μηχανική για τη δημιουργία ηλεκτρικών κινητήρων, μετασχηματιστών, γεννητριών. Επιπλέον, είναι σημαντικό να σημειωθεί η χρήση σιδηρομαγνητών αυτού του τύπου σε ραδιοεπικοινωνίες και τεχνολογία χαμηλού ρεύματος.
Απαιτούνται άκαμπτοι τύποι για τη δημιουργία μόνιμων μαγνητών. Εάν το εξωτερικό πεδίο είναι απενεργοποιημένο, οι σιδηρομαγνήτες διατηρούν τις ιδιότητές τους, καθώς ο προσανατολισμός των στοιχειωδών ρευμάτων δεν εξαφανίζεται.
Αυτή η ιδιότητα εξηγεί τη χρήση των σιδηρομαγνητών. Εν ολίγοις, μπορούμε να πούμε ότι τέτοια υλικά αποτελούν τη βάση της σύγχρονης τεχνολογίας.
Απαιτούνται μόνιμοι μαγνήτες κατά τη δημιουργία ηλεκτρικών οργάνων μέτρησης, τηλέφωνα, μεγάφωνα, μαγνητικές πυξίδες, συσκευές εγγραφής ήχου.
Φερρίτες
Λαμβάνοντας υπόψη τη χρήση σιδηρομαγνητών, είναι απαραίτητο να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στους φερρίτες. Χρησιμοποιούνται ευρέως στη ραδιομηχανική υψηλής συχνότητας, καθώς συνδυάζουν τις ιδιότητες των ημιαγωγών και των σιδηρομαγνητών. Από φερρίτες κατασκευάζονται επί του παρόντος μαγνητικές ταινίες και μεμβράνες, πυρήνες επαγωγέων και δίσκοι. Είναι οξείδια του σιδήρου που βρίσκονται στη φύση.
Ενδιαφέροντα γεγονότα
Το ενδιαφέρον είναι η χρήση σιδηρομαγνητών σε ηλεκτρικές μηχανές, καθώς και στην τεχνολογία εγγραφής σε σκληρό δίσκο. Η σύγχρονη έρευνα δείχνει ότι σε ορισμένες θερμοκρασίες, ορισμένοι σιδηρομαγνήτες μπορούν να αποκτήσουν παραμαγνητικά χαρακτηριστικά. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο αυτές οι ουσίες θεωρούνται ελάχιστα κατανοητές και παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους φυσικούς.
Ο πυρήνας από χάλυβα μπορεί να αυξήσει το μαγνητικό πεδίο πολλές φορές χωρίς να αλλάξει την ένταση του ρεύματος.
Η χρήση σιδηρομαγνητών μπορεί να εξοικονομήσει σημαντικά ηλεκτρική ενέργεια. Γι' αυτό χρησιμοποιούνται υλικά με σιδηρομαγνητικές ιδιότητες για τους πυρήνες των γεννητριών, των μετασχηματιστών, των ηλεκτροκινητήρων.
Μαγνητική υστέρηση
Αυτό είναι το φαινόμενο της εξάρτησης της έντασης του μαγνητικού πεδίου και του διανύσματος μαγνήτισης από το εξωτερικό πεδίο. Αυτή η ιδιότητα εκδηλώνεται σε σιδηρομαγνήτες, καθώς και σε κράματα από σίδηρο, νικέλιο, κοβάλτιο. Παρόμοιο φαινόμενο παρατηρείται όχι μόνο στην περίπτωση αλλαγής της κατεύθυνσης και του μεγέθους του πεδίου, αλλά και στην περίπτωση της περιστροφής του.
Διαπερατότητα
Η μαγνητική διαπερατότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος που δείχνει την αναλογία επαγωγής σε ένα συγκεκριμένο μέσο προς εκείνη στο κενό. Εάν μια ουσία δημιουργεί το δικό της μαγνητικό πεδίο, θεωρείται μαγνητισμένη. Σύμφωνα με την υπόθεση του Ampère, η αξία των ιδιοτήτων εξαρτάται από την τροχιακή κίνηση των «ελεύθερων» ηλεκτρονίων στο άτομο.
Ο βρόχος υστέρησης είναι μια καμπύλη της εξάρτησης της αλλαγής στο μέγεθος της μαγνήτισης ενός σιδηρομαγνήτη που βρίσκεται σε ένα εξωτερικό πεδίο από την αλλαγή στο μέγεθος της επαγωγής. Για να απομαγνητίσετε πλήρως το χρησιμοποιημένο σώμα, πρέπει να αλλάξετε την κατεύθυνση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.
Σε μια ορισμένη τιμή μαγνητικής επαγωγής, η οποία ονομάζεται δύναμη καταναγκασμού, η μαγνήτιση του δείγματος γίνεται μηδέν.
Είναι το σχήμα του βρόχου υστέρησης και το μέγεθος της δύναμης καταναγκασμού που καθορίζουν την ικανότητα μιας ουσίας να διατηρεί τη μερική μαγνήτιση, εξηγούν την ευρεία χρήση των σιδηρομαγνητών. Συνοπτικά, οι περιοχές εφαρμογής σκληρών σιδηρομαγνητών με ευρύ βρόχο υστέρησης περιγράφονται παραπάνω. Οι χάλυβες βολφραμίου, άνθρακα, αλουμινίου, χρωμίου έχουν μεγάλη καταναγκαστική δύναμη, επομένως, στη βάση τους δημιουργούνται μόνιμοι μαγνήτες διαφόρων σχημάτων: λωρίδα, πέταλο.
Μεταξύ των μαλακών υλικών με μικρή καταναγκαστική δύναμη, σημειώνουμε τα μεταλλεύματα σιδήρου, καθώς και τα κράματα σιδήρου-νικελίου.
Η διαδικασία αντιστροφής της μαγνήτισης των σιδηρομαγνητών σχετίζεται με μια αλλαγή στην περιοχή της αυθόρμητης μαγνήτισης. Για αυτό, χρησιμοποιείται η εργασία που γίνεται από το εξωτερικό πεδίο. Ποσότηταη θερμότητα που παράγεται σε αυτή την περίπτωση είναι ανάλογη με την περιοχή του βρόχου υστέρησης.
Συμπέρασμα
Επί του παρόντος, σε όλους τους κλάδους της τεχνολογίας, χρησιμοποιούνται ενεργά ουσίες με σιδηρομαγνητικές ιδιότητες. Εκτός από τη σημαντική εξοικονόμηση ενεργειακών πόρων, η χρήση τέτοιων ουσιών μπορεί να απλοποιήσει τις τεχνολογικές διαδικασίες.
Για παράδειγμα, οπλισμένοι με ισχυρούς μόνιμους μαγνήτες, μπορείτε να απλοποιήσετε σημαντικά τη διαδικασία δημιουργίας οχημάτων. Οι ισχυροί ηλεκτρομαγνήτες, που χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε εγχώριες και ξένες αυτοκινητοβιομηχανίες, καθιστούν δυνατή την πλήρη αυτοματοποίηση των τεχνολογικών διαδικασιών που απαιτούν μεγαλύτερη ένταση εργασίας, καθώς και επιταχύνουν σημαντικά τη διαδικασία συναρμολόγησης νέων οχημάτων.
Στη ραδιομηχανική, οι σιδηρομαγνήτες καθιστούν δυνατή την απόκτηση συσκευών της υψηλότερης ποιότητας και ακρίβειας.
Επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν μια μέθοδο ενός βήματος για την κατασκευή μαγνητικών νανοσωματιδίων που είναι κατάλληλα για εφαρμογές στην ιατρική και την ηλεκτρονική.
Ως αποτέλεσμα πολυάριθμων μελετών που πραγματοποιήθηκαν στα καλύτερα ερευνητικά εργαστήρια, κατέστη δυνατό να καθοριστούν οι μαγνητικές ιδιότητες του κοβαλτίου και των νανοσωματιδίων σιδήρου επικαλυμμένα με ένα λεπτό στρώμα χρυσού. Η ικανότητά τους να μεταφέρουν αντικαρκινικά φάρμακα ή άτομα ραδιονουκλεϊδίων στο δεξί μέρος του ανθρώπινου σώματος και να αυξάνουν την αντίθεση των εικόνων μαγνητικού συντονισμού έχει ήδη επιβεβαιωθεί.
Επιπλέον, τέτοια σωματίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναβάθμιση συσκευών μαγνητικής μνήμης, κάτι που θα είναι ένα νέο βήμα στη δημιουργία ενός καινοτόμουιατρική τεχνολογία.
Μια ομάδα Ρώσων επιστημόνων κατάφερε να αναπτύξει και να δοκιμάσει μια μέθοδο για τη μείωση των υδατικών διαλυμάτων χλωριδίων για τη λήψη συνδυασμένων νανοσωματιδίων κοβαλτίου-σιδήρου κατάλληλα για τη δημιουργία υλικών με βελτιωμένα μαγνητικά χαρακτηριστικά. Όλες οι έρευνες που διεξάγονται από επιστήμονες στοχεύουν στη βελτίωση των σιδηρομαγνητικών ιδιοτήτων των ουσιών, αυξάνοντας το ποσοστό χρήσης τους στην παραγωγή.
