Vaatleme ferromagnetite peamisi kasutusvaldkondi ja nende klassifikatsiooni omadusi. Alustame sellest, et ferromagneteid nimetatakse tahketeks aineteks, millel on madalatel temperatuuridel kontrollimatu magnetiseerumine. See muutub deformatsiooni, magnetvälja ja temperatuurikõikumiste mõjul.
Ferromagnetite omadused
Ferromagnetite kasutamine tehnoloogias on seletatav nende füüsikaliste omadustega. Nende magnetiline läbilaskvus on mitu korda suurem kui vaakumi oma. Sellega seoses on kõigil elektriseadmetel, mis kasutavad magnetvälju ühe energialiigi teiseks muundamiseks, spetsiaalsed elemendid, mis on valmistatud ferromagnetilisest materjalist, mis on võimeline juhtima magnetvoogu.
Ferromagnetite omadused
Millised on ferromagnetite eristavad omadused? Nende ainete omadused ja kasutus on seletatav sisemise struktuuri iseärasustega. Aine magnetiliste omaduste ja magnetismi elementaarsete kandjate, milleks on aatomi sees liikuvad elektronid, vahel on otsene seos.
Ringikujulistel orbiitidel liikudes tekitavad nad elementaarvoolu ja magnetilistdipoolid, millel on magnetmoment. Selle suund määratakse gimleti reegliga. Keha magnetmoment on kõigi osade geomeetriline summa. Lisaks ringikujulistel orbiitidel pöörlemisele liiguvad elektronid ka ümber oma telgede, tekitades pöörlemismomente. Nad täidavad ferromagnetite magnetiseerimise protsessis olulist funktsiooni.
Ferromagnetite praktiline rakendamine on seotud spinnimomentide paralleelse orientatsiooniga spontaansete magnetiseeritud piirkondade moodustumisega neis. Kui ferromagnet ei asu välisväljas, siis on üksikud magnetmomendid erineva suunaga, nende summa on null ja magnetiseerimisomadus puudub.
Ferromagnetite eristavad omadused
Kui paramagneteid seostatakse aine üksikute molekulide või aatomite omadustega, siis ferromagnetilisi omadusi saab seletada kristallistruktuuri eripäradega. Näiteks auruolekus on raua aatomid kergelt diamagnetilised, tahkes olekus on see metall aga ferromagnet. Laboratoorsete uuringute tulemusena selgus seos temperatuuri ja ferromagnetiliste omaduste vahel.
Näiteks Goisleri sulam, mis on magnetiliste omaduste poolest sarnane rauaga, ei sisalda seda metalli. Curie punkti (teatud temperatuuriväärtuse) saavutamisel ferromagnetilised omadused kaovad.
Nende eristavate omaduste hulgast võib välja tuua mitte ainult magnetilise läbilaskvuse kõrge väärtuse, vaid ka seose väljatugevuse jamagnetiseerimine.
Ferromagneti üksikute aatomite magnetmomentide vastastikmõju aitab kaasa võimsate sisemiste magnetväljade loomisele, mis asetsevad üksteisega paralleelselt. Tugev välisväli viib orientatsiooni muutumiseni, mis toob kaasa magnetiliste omaduste suurenemise.
Ferromagnetite olemus
Teadlased on kindlaks teinud ferromagnetismi spinni olemuse. Elektronide jaotamisel üle energiakihtide arvestatakse Pauli välistusprintsiipi. Selle olemus seisneb selles, et igal kihil saab neid olla ainult teatud arv. Kõigi täielikult täidetud kestal asuvate elektronide orbitaal- ja spin-magnetmomentide väärtused on võrdsed nulliga.
Ferromagnetiliste omadustega keemilised elemendid (nikkel, koob alt, raud) on perioodilisuse tabeli üleminekuelemendid. Nende aatomites rikutakse kestade elektronidega täitmise algoritmi. Esiteks sisenevad nad ülemisse kihti (s-orbitaal) ja alles pärast selle täielikku täitumist sisenevad elektronid allpool asuvasse kesta (d-orbitaal).
Ferromagnetite, millest peamine on raud, laiaulatuslik kasutamine on seletatav struktuuri muutumisega kokkupuutel välise magnetväljaga.
Sarnaseid omadusi võivad omada vaid need ained, mille aatomites on sisemised lõpetamata kestad. Kuid isegi sellest tingimusest ei piisa, et rääkida ferromagnetilistest omadustest. Näiteks kroom, mangaan, plaatina on kaaatomite sees olevad lõpetamata kestad, kuid need on paramagnetilised. Spontaanse magnetiseerumise tekkimist seletatakse spetsiaalse kvanttegevusega, mida on klassikalise füüsika abil raske seletada.
Osakond
Sellised materjalid on tinglikult jagatud kahte tüüpi: kõvad ja pehmed ferromagnetid. Kõvade materjalide kasutamine on seotud magnetketaste, teabe salvestamiseks mõeldud lintide valmistamisega. Pehmed ferromagnetid on elektromagnetite, trafosüdamike loomisel asendamatud. Nende kahe liigi erinevused on seletatavad nende ainete keemilise struktuuri iseärasustega.
Kasutusfunktsioonid
Vaatame lähem alt mõnda näidet ferromagnetite kasutamisest kaasaegse tehnoloogia erinevates harudes. Pehmeid magnetmaterjale kasutatakse elektrotehnikas elektrimootorite, trafode, generaatorite loomiseks. Lisaks on oluline märkida seda tüüpi ferromagnetite kasutamist raadiosides ja nõrkvoolutehnoloogias.
Püsimagnetite loomiseks on vaja jäikaid tüüpe. Kui välisväli on välja lülitatud, säilitavad ferromagnetid oma omadused, kuna elementaarvoolude orientatsioon ei kao.
See omadus seletab ferromagnetite kasutamist. Lühid alt võib öelda, et sellised materjalid on kaasaegse tehnoloogia aluseks.
Püsimagneteid on vaja elektriliste mõõteriistade, telefonide, kõlarite, magnetkompasside, helisalvestite loomisel.
Ferriidid
Arvestades ferromagnetite kasutamist, tuleb erilist tähelepanu pöörata ferriitidele. Neid kasutatakse laialdaselt kõrgsagedusraadiotehnikas, kuna need ühendavad pooljuhtide ja ferromagnetite omadused. Ferriitidest valmistatakse praegu magnetlinde ja -kilesid, induktiivpoolide südamikke ja kettaid. Need on looduses leiduvad raudoksiidid.
Huvitavaid fakte
Huvi pakub ferromagnetite kasutamine elektrimasinates, aga ka kõvakettale salvestamise tehnoloogia vastu. Kaasaegsed uuringud näitavad, et teatud temperatuuridel võivad mõned ferromagnetid omandada paramagnetilised omadused. Seetõttu peetakse neid aineid halvasti mõistetavateks ja need pakuvad füüsikutele erilist huvi.
Terassüdamik suudab magnetvälja mitu korda suurendada ilma voolutugevust muutmata.
Ferromagnetite kasutamine võib oluliselt säästa elektrienergiat. Seetõttu kasutatakse generaatorite, trafode, elektrimootorite südamike jaoks ferromagnetiliste omadustega materjale.
Magnetiline hüsterees
See on magnetvälja tugevuse ja magnetiseerimisvektori sõltuvuse nähtus välisväljast. See omadus avaldub ferromagnetites, aga ka rauast, niklist, koob altist valmistatud sulamites. Sarnast nähtust ei täheldata mitte ainult välja suuna ja suuruse muutumise, vaid ka selle pöörlemise korral.
Läbilaskvus
Magnetiline läbilaskvus on füüsikaline suurus, mis näitab induktsiooni suhet teatud keskkonnas ja vaakumis. Kui aine loob oma magnetvälja, loetakse see magneteerituks. Ampère’i hüpoteesi kohaselt sõltub omaduste väärtus "vabade" elektronide orbitaalliikumisest aatomis.
Hüstereesiahel on välisväljas paikneva ferromagneti magnetiseerumise suuruse muutumise sõltuvuse kõver induktsiooni suuruse muutusest. Kasutatud keha täielikuks demagnetiseerimiseks peate muutma välise magnetvälja suunda.
Teatud magnetilise induktsiooni väärtuse korral, mida nimetatakse sundjõuks, muutub näidise magnetiseerumine nulliks.
Hüstereesisilmuse kuju ja sunnijõu suurus määravad aine võime säilitada osalist magnetiseeritust, selgitades ferromagnetite laialdast kasutamist. Lühid alt on eespool kirjeldatud laia hüstereesiahelaga kõvade ferromagnetite kasutusalasid. Volfram-, süsinik-, alumiinium-, kroomterastel on suur sundjõud, seetõttu luuakse nende baasil erineva kujuga püsimagneteid: riba, hobuseraua.
Väikese sunnijõuga pehmete materjalide hulgas märgime ära rauamaagid, aga ka raua-nikli sulamid.
Ferromagnetite magnetiseerimise ümberpööramise protsess on seotud spontaanse magnetiseerimise piirkonna muutumisega. Selleks kasutatakse välisvälja tehtud tööd. Kogustekkiv soojus on sel juhul võrdeline hüstereesiahela pindalaga.
Järeldus
Praegu kasutatakse kõigis tehnoloogiaharudes aktiivselt ferromagnetiliste omadustega aineid. Lisaks energiaressursside olulisele kokkuhoiule võib selliste ainete kasutamine tehnoloogilisi protsesse lihtsustada.
Näiteks võimsate püsimagnetitega relvastatud saate sõidukite loomise protsessi oluliselt lihtsustada. Võimsad elektromagnetid, mida praegu kasutatakse kodumaistes ja välismaistes autotehastes, võimaldavad täielikult automatiseerida kõige töömahukamaid tehnoloogilisi protsesse, samuti kiirendavad oluliselt uute sõidukite kokkupanemise protsessi.
Raadiotehnikas võimaldavad ferromagnetid saada kõrgeima kvaliteedi ja täpsusega seadmeid.
Teadlastel on õnnestunud luua üheastmeline meetod magnetiliste nanoosakeste valmistamiseks, mis sobivad kasutamiseks meditsiinis ja elektroonikas.
Parimates uurimislaborites läbi viidud arvukate uuringute tulemusena õnnestus kindlaks teha õhukese kullakihiga kaetud koob alti ja raua nanoosakeste magnetilised omadused. Nende võime kanda vähivastaseid ravimeid või radionukliidide aatomeid inimkeha õigesse ossa ja suurendada magnetresonantspiltide kontrasti on juba kinnitust leidnud.
Lisaks saab selliseid osakesi kasutada magnetmäluseadmete uuendamiseks, mis on uus samm uuenduslikumeditsiinitehnoloogia.
Vene teadlaste rühmal õnnestus välja töötada ja katsetada meetodit kloriidide vesilahuste redutseerimiseks, et saada kombineeritud koob alti-raua nanoosakesi, mis sobivad täiustatud magnetiliste omadustega materjalide loomiseks. Kõik teadlaste läbiviidud uuringud on suunatud ainete ferromagnetiliste omaduste parandamisele, nende kasutamise protsentuaalsele suurendamisele tootmises.
