Εξετάστε τους κύριους τομείς εφαρμογήςσιδηρομαγνήτες, καθώς και χαρακτηριστικά της ταξινόμησής τους. Αρχικά, οι στερεές ουσίες ονομάζονται σιδηρομαγνήτες, οι οποίοι έχουν ανεξέλεγκτη μαγνήτιση σε χαμηλές θερμοκρασίες. Αλλάζει υπό την επίδραση της παραμόρφωσης, του μαγνητικού πεδίου, των διακυμάνσεων της θερμοκρασίας.
Ιδιότητες των σιδηρομαγνητών
Επεξηγείται η χρήση των σιδηρομαγνητών στην τεχνολογίατις φυσικές τους ιδιότητες. Έχουν μαγνητική διαπερατότητα που είναι πολλές φορές μεγαλύτερη από τη διαπερατότητα ενός 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 μεταφέρει μαγνητική ροή.
Χαρακτηριστικά των σιδηρομαγνητών
Ποια είναι τα διακριτικά χαρακτηριστικά τουσιδηρομαγνήτες; Οι ιδιότητες και η χρήση αυτών των ουσιών εξηγούνται από τις ιδιαιτερότητες της εσωτερικής δομής. Υπάρχει άμεση σχέση μεταξύ των μαγνητικών ιδιοτήτων μιας ουσίας και των στοιχειωδών φορέων του μαγνητισμού, στον ρόλο των οποίων είναι τα ηλεκτρόνια που κινούνται μέσα στο άτομο.
Ενώ κινούνται σε κυκλικές τροχιές, δημιουργούνστοιχειώδη ρεύματα και μαγνητικά δίπολα με 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 συνδέεται μεο σχηματισμός αυθόρμητων μαγνητισμένων περιοχών σε αυτά, στις οποίες ο προσανατολισμός των ροπών σπιν είναι παράλληλος. Εάν ο σιδηρομαγνήτης δεν βρίσκεται σε εξωτερικό πεδίο, τότε οι επιμέρους μαγνητικές ροπές έχουν διαφορετικές κατευθύνσεις, το άθροισμά τους είναι ίσο με μηδέν και η ιδιότητα της μαγνήτισης απουσιάζει.
Διακριτικά χαρακτηριστικά των σιδηρομαγνητών
Εάν οι παραμαγνήτες συνδέονται με ιδιότητεςμεμονωμένα μόρια ή άτομα μιας ουσίας, οι σιδηρομαγνητικές ιδιότητες μπορούν να εξηγηθούν από τις ιδιαιτερότητες της κρυσταλλικής δομής. Για παράδειγμα, στην κατάσταση ατμού, τα άτομα σιδήρου είναι ελαφρώς διαμαγνητικά και στη στερεή κατάσταση, αυτό το μέταλλο είναι σιδηρομαγνήτης. Ως αποτέλεσμα εργαστηριακών μελετών, αποκαλύφθηκε μια σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας και των σιδηρομαγνητικών ιδιοτήτων.
Για παράδειγμα, στο κράμα Gousler, το οποίο είναι παρόμοιο σε μαγνητικές ιδιότητες με το σίδηρο, αυτό το μέταλλο απουσιάζει. Όταν φτάσετε στο 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 της μαγνήτισης.
Αλληλεπίδραση μαγνητικών ροπών ατόμουάτομα 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.
Η φύση των σιδηρομαγνητών
Οι επιστήμονες έχουν καθιερώσει τη φύση της περιστροφήςσιδηρομαγνητισμός. Κατά την κατανομή ηλεκτρονίων σε ενεργειακά στρώματα, λαμβάνεται υπόψη η αρχή του αποκλεισμού Pauli. Η ουσία του είναι ότι σε κάθε στρώμα μπορεί να υπάρχει μόνο ένας συγκεκριμένος αριθμός από αυτούς. Οι προκύπτουσες τιμές των τροχιακών και των μαγνητικών ροπών σπιν όλων των ηλεκτρονίων που βρίσκονται σε ένα πλήρως γεμάτο κέλυφος είναι ίσες με μηδέν.
Σιδηρομαγνητικά χημικά στοιχείαιδιότητες (νικέλιο, κοβάλτιο, σίδηρος) είναι μεταβατικά στοιχεία του περιοδικού πίνακα. Στα άτομα τους παραβιάζεται ο αλγόριθμος πλήρωσης των κελυφών με ηλεκτρόνια. Πρώτον, πέφτουν στο ανώτερο στρώμα (s-τροχιακό) και μόνο αφού γεμίσει πλήρως, τα ηλεκτρόνια πέφτουν στο κέλυφος που βρίσκεται από κάτω (d-τροχιακό).
Η μεγάλης κλίμακας χρήση σιδηρομαγνητών, ο κύριος από τους οποίους είναι ο σίδηρος, εξηγείται από μια αλλαγή στη δομή όταν εισέρχεται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.
Μόνο αυτάουσίες 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 και η πλατίνα έχουν επίσης ημιτελή 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.
Υποδιαίρεση
Υπάρχει υπό όρους υποδιαίρεση τέτοιωνυλικά 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.
Χαρακτηριστικά χρήσης
Ας ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά σε μερικά παραδείγματα εφαρμογών.σιδηρομαγνήτες σε διάφορους κλάδους της σύγχρονης τεχνολογίας. Τα μαλακά μαγνητικά υλικά χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρική μηχανική για τη δημιουργία ηλεκτρικών κινητήρων, μετασχηματιστών και γεννητριών. Επιπλέον, είναι σημαντικό να σημειωθεί η χρήση σιδηρομαγνητών αυτού του τύπου στην τεχνολογία ραδιοεπικοινωνιών και ροής.
Απαιτούνται άκαμπτοι τύποι για τη δημιουργία μόνιμων μαγνητών. Στην περίπτωση απενεργοποίησης του εξωτερικού πεδίου, οι σιδηρομαγνήτες διατηρούν τις ιδιότητές τους, αφού ο προσανατολισμός των στοιχειωδών ρευμάτων δεν εξαφανίζεται.
Είναι αυτή η ιδιότητα που εξηγεί τη χρήση των σιδηρομαγνητών. Εν ολίγοις, μπορούμε να πούμε ότι τέτοια υλικά αποτελούν τη βάση της σύγχρονης τεχνολογίας.
Μόνιμοι μαγνήτες χρειάζονται για τη δημιουργία ηλεκτρικών συσκευών μέτρησης, τηλεφώνων, μεγαφώνων, μαγνητικών πυξίδων και συσκευών εγγραφής ήχου.
Φερρίτες
Λαμβάνοντας υπόψη τη χρήση σιδηρομαγνητών,ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στους φερρίτες. Είναι ευρέως διαδεδομένα στη ραδιομηχανική υψηλών συχνοτήτων επειδή συνδυάζουν τις ιδιότητες των ημιαγωγών και των σιδηρομαγνητών. Από φερρίτες κατασκευάζονται επί του παρόντος μαγνητικές ταινίες και μεμβράνες, πυρήνες επαγωγής και δίσκοι. Είναι φυσικά οξείδια του σιδήρου.
Ενδιαφέροντα γεγονότα
Ενδιαφέρον παρουσιάζει η χρήση σιδηρομαγνητών σεηλεκτρικά αυτοκίνητα, καθώς και στην τεχνολογία εγγραφής στον σκληρό δίσκο. Η σύγχρονη έρευνα δείχνει ότι σε ορισμένες θερμοκρασίες, ορισμένοι σιδηρομαγνήτες μπορούν να αποκτήσουν παραμαγνητικά χαρακτηριστικά. Γι' αυτό οι ουσίες αυτές θεωρούνται ελάχιστα μελετημένες και παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους φυσικούς.
Ο πυρήνας από χάλυβα είναι ικανός να αυξήσει το μαγνητικό πεδίο πολλές φορές χωρίς να αλλάξει την ένταση του ρεύματος.
Η χρήση σιδηρομαγνητών καθιστά δυνατή τη σημαντικήεξοικονόμηση ηλεκτρικής ενέργειας. Γι' αυτό χρησιμοποιούνται υλικά με σιδηρομαγνητικές ιδιότητες για τους πυρήνες των γεννητριών, των μετασχηματιστών, των ηλεκτροκινητήρων.
Μαγνητική υστέρηση
Αυτό το φαινόμενο της εξάρτησης της ισχύος του μαγνητικούπεδίο και διάνυσμα μαγνήτισης από εξωτερικό πεδίο. Αυτή η ιδιότητα εκδηλώνεται σε σιδηρομαγνήτες, καθώς και σε κράματα από σίδηρο, νικέλιο, κοβάλτιο. Παρόμοιο φαινόμενο παρατηρείται όχι μόνο στην περίπτωση αλλαγής κατεύθυνσης και μεγέθους πεδίου, αλλά και στην περίπτωση της περιστροφής του.
Διαπερατό
Η μαγνητική διαπερατότητα είναι η φυσικήμια τιμή που δείχνει την αναλογία της επαγωγής σε ένα συγκεκριμένο περιβάλλον προς αυτή στο κενό. Εάν μια ουσία δημιουργεί το δικό της μαγνητικό πεδίο, θεωρείται μαγνητισμένη. Σύμφωνα με την υπόθεση του Ampere, το μέγεθος των ιδιοτήτων εξαρτάται από την τροχιακή κίνηση των «ελεύθερων» ηλεκτρονίων στο άτομο.
Ο βρόχος υστέρησης είναι μια καμπύληεξάρτηση της αλλαγής του μεγέθους της μαγνήτισης ενός σιδηρομαγνήτη που βρίσκεται σε ένα εξωτερικό πεδίο από τη μεταβολή του μεγέθους της επαγωγής. Για να απομαγνητίσετε πλήρως το σώμα που χρησιμοποιείται, πρέπει να αλλάξετε την κατεύθυνση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.
Σε μια ορισμένη τιμή της μαγνητικής επαγωγής, που ονομάζεται δύναμη καταναγκασμού, η μαγνήτιση του δείγματος παίρνει μηδενική τιμή.
Είναι το σχήμα του βρόχου υστέρησης και η τιμήΟι δυνάμεις καταναγκασμού καθορίζουν την ικανότητα μιας ουσίας να διατηρεί μερική μαγνήτιση, εξηγούν την ευρεία χρήση των σιδηρομαγνητών. Εν συντομία, τα πεδία εφαρμογής σκληρών σιδηρομαγνητών με ευρύ βρόχο υστέρησης περιγράφονται παραπάνω. Οι χάλυβες βολφραμίου, άνθρακα, αλουμινίου, χρωμίου έχουν υψηλή καταναγκαστική δύναμη, επομένως, στη βάση τους δημιουργούνται μόνιμοι μαγνήτες διαφόρων σχημάτων: λωρίδα, σε σχήμα πετάλου.
Μεταξύ των μαλακών υλικών με μικρή καταναγκαστική δύναμη, σημειώνουμε μεταλλεύματα σιδήρου, καθώς και κράματα σιδήρου-νικελίου.
Η διαδικασία της αντιστροφής της μαγνήτισης των σιδηρομαγνητών σχετίζεται μεμια αλλαγή στην περιοχή της αυθόρμητης μαγνήτισης. Για αυτό, χρησιμοποιείται εργασία που γίνεται από εξωτερικό πεδίο. Η ποσότητα της θερμότητας που παράγεται σε αυτή την περίπτωση είναι ανάλογη με την περιοχή του βρόχου υστέρησης.
Συμπέρασμα
Αυτή τη στιγμή σε όλους τους κλάδους της τεχνολογίαςχρησιμοποιούνται ενεργά ουσίες με σιδηρομαγνητικές ιδιότητες. Εκτός από τη σημαντική εξοικονόμηση ενεργειακών πόρων, χάρη στη χρήση τέτοιων ουσιών, είναι δυνατή η απλοποίηση των τεχνολογικών διαδικασιών.
Για παράδειγμα, οπλισμένοι με ισχυρές σταθερέςμαγνήτες, μπορείτε να απλοποιήσετε σημαντικά τη διαδικασία δημιουργίας οχημάτων. Οι ισχυροί ηλεκτρομαγνήτες, που χρησιμοποιούνται σήμερα σε εγχώριες και ξένες αυτοκινητοβιομηχανίες, καθιστούν δυνατή την πλήρη αυτοματοποίηση των τεχνολογικών διαδικασιών που απαιτούν μεγαλύτερη ένταση εργασίας, καθώς και τη σημαντική επιτάχυνση της διαδικασίας συναρμολόγησης νέων οχημάτων.
Στη ραδιομηχανική, οι σιδηρομαγνήτες καθιστούν δυνατή την απόκτηση συσκευών της υψηλότερης ποιότητας και ακρίβειας.
Οι επιστήμονες κατάφεραν να δημιουργήσουν μια τεχνική ενός βήματος για την κατασκευή μαγνητικών νανοσωματιδίων που είναι κατάλληλα για χρήση στην ιατρική και την ηλεκτρονική.
Ως αποτέλεσμα πολλών μελετών,που διεξήχθη 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 ραδιονουκλιδίου στο επιθυμητό μέρος του ανθρώπινου σώματος έχει ήδη επιβεβαιωθεί και να αυξάνουν την αντίθεση των εικόνων μαγνητικού συντονισμού.
Επιπλέον, τέτοια σωματίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναβάθμιση συσκευών μαγνητικής μνήμης, κάτι που θα είναι ένα νέο βήμα στη δημιουργία καινοτόμου ιατρικής τεχνολογίας.
Μια ομάδα Ρώσων επιστημόνων κατάφερε να αναπτύξεικαι να δοκιμάσει μια μέθοδο για την αναγωγή υδατικών διαλυμάτων χλωριδίων για τη λήψη συνδυασμένων νανοσωματιδίων κοβαλτίου-σιδήρου κατάλληλα για τη δημιουργία υλικών με βελτιωμένα μαγνητικά χαρακτηριστικά. Όλες οι έρευνες που πραγματοποιούνται από επιστήμονες στοχεύουν στην αύξηση των σιδηρομαγνητικών ιδιοτήτων των ουσιών, στην αύξηση του ποσοστού χρήσης τους στην παραγωγή.
