Какие металлы обладают ферромагнитными свойствами

По магнитным свойствам все вещества делятся на: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Особыми магнитными свойствами обладают вещества, называемые ферромагнетиками. Ферромагнетики – вещества, которые значительно усиливают внешнее магнитное поле. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов может достигать значений в несколько сотен тысяч, то есть ферромагнитные материалы способны усиливать внешнее магнитное поле в сотни тысяч раз.

Ферромагнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и некоторые сплавы.

Природа внутриатомных магнитных полей, способных ориентироваться и упорядочиваться под действием внешнего магнитного поля, у ферромагнетиков связана не с движением электронов вокруг атомных ядер, а с внутренними магнитными полями самих электронов.

Исследование свойств элементарных частиц показало, что все частицы, обладающие электрическими зарядами, имеют и собственные магнитные поля. Заряженные частицы подобны круговым электрическим токам. Все элементарные частицы одного вида обладают совершенно одинаковыми магнитными полями. Собственное магнитное поле электрона значительно сильнее магнитного поля, создаваемого электроном при его движении вокруг ядра. По этой причине ферромагнетики, в которых внешне поле усиливается благодаря сложению собственных магнитных полей электронов, обладают значительно большей магнитной проницаемостью, чем парамагнетики. Магнитная проницаемость ферромагнетика m = В/Н непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля

Для более глубокого понимания природы ферромагнетизма необходимо выяснить ещё один вопрос. Если ферромагнитные свойства обусловлены действием собственных магнитных полей электронов, то почему же тогда этими свойствами не обладают все вещества? Ведь электроны есть в составе всех атомов.

Большинство веществ не обладает ферромагнитными свойствами, потому что при заполнении электронных оболочек атомов электроны располагаются таким образом, что их магнитные поля направлены противоположно и компенсируют друг друга. При таком расположении электронов их потенциальная энергия взаимодействия минимальна.

Если атомы имеют нечётное число электронов на оболочках, то магнитные поля неспаренных электронов взаимно компенсируются при соединении в молекулы или при объединении атомов в кристалл.

Атомы железа, никеля, кобальта в кристаллах располагаются таким образом, что собственные магнитные поля неспаренных электронов оказываются направленными параллельно друг другу и внутри кристалла образуются микроскопические намагниченные области – домены. В разных доменах ориентация магнитного поля различна, их суммарное магнитное поле равно нулю. При помещении во внешнее магнитное поле внутренние магнитные поля доменов ориентируются по направлению внешнего поля, ферромагнетик намагничивается.

Упорядоченное расположение магнитных полей электронов в доменах ферромагнетиков при достаточно высокой температуре разрушается беспорядочными тепловыми колебаниями атомов в узлах кристаллической решётки. Температура , выше которой ферромагнитное вещество теряет свои ферромагнитные свойства, называется температурой Кюри. Железо, например, перестаёт быть ферромагнетиком при температуре 770˚С, никель – при температуре 356˚.

Ферромагнитные материалы условно можно разделить на два типа: магнито-мягкие и магнито-жёсткие материалы. Магнито-мягкими называют такие ферромагнитные материалы, у которых после прекращения действия внешнего магнитного поля собственное магнитное поле почти полностью исчезает, вещество размагничивается. Из магнито-мягких материалов изготавливаются сердечники трансформаторов, электромагнитов.

Магнито-жёсткие материалы используются для изготовления постоянных магнитов, магнитных лент и дисков для магнитной записи и хранения информации.

Остались вопросы? Хотите знать больше о ферромагнетиках?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!

Зарегистрироваться

© blog.tutoronline.ru,
при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Остались вопросы?

Задайте свой вопрос и получите ответ от профессионального преподавателя.

      К ферромагнетикам (ferrum – железо) относятся вещества, магнитная восприимчивость которых положительна и достигает значений . Намагниченность  и магнитная индукция  ферромагнетиков растут с увеличением напряженности магнитного поля  нелинейно, и в полях  намагниченность ферромагнетиков достигает предельного значения , а вектор магнитной индукции растет линейно с :

      Ферромагнитные свойства материалов проявляются только у веществ в твердом состоянии, атомы которых обладают постоянным спиновым, или орбитальным, магнитным моментом, в частности у атомов с недостроенными внутренними электронными оболочками. Типичными ферромагнетиками являются переходные металлы. В ферромагнетиках происходит резкое усиление внешних магнитных полей. Причем для ферромагнетиков  сложным образом зависит от величины магнитного поля. Типичными ферромагнетиками являются Fe, Co, Ni, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm,а также соединения ферромагнитных материалов с неферромагнитными: , ,  и др.

      Существенным отличием ферромагнетиков от диа- и парамагнетиков является наличие у ферромагнетиков самопроизвольной (спонтанной) намагниченности в отсутствие внешнего магнитного поля. Наличие у ферромагнетиков самопроизвольного магнитного момента  в отсутствие внешнего магнитного поля означает, что электронные спины и магнитные моменты атомных носителей магнетизма ориентированы в веществе упорядоченным образом.

      Ферромагнетики –  это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры.

      Ферромагнетики, в отличие от слабо магнитных диа- и парамагнетиков, являются сильно магнитными веществами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни раз превосходить внешнее поле.

      Основные отличия магнитных свойств ферромагнетиков.

       1.                         Нелинейная зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля Н (рис. 6.5).

      Как видно из рис. 6.5, при  наблюдается магнитное насыщение.

      2. При   зависимость магнитной индукции В от Н нелинейная, а при  – линейная (рис. 6.6).

Рис. 6.5                               Рис. 6.6

      3. Зависимость относительной магнитной проницаемости от Н имеет сложный характер (рис. 6.7), причем максимальные значения μ очень велики ( ).

Рис. 6.7                                 Рис. 6.8

      Впервые систематические исследования μ от Н были проведены в 1872 г. А.Г. Столетовым (1839–1896) – выдающимся русским физиком, организатором физической лаборатории в Московском университете. На рис. 6.8. изображена зависимость магнитной проницаемости некоторых ферромагнетиков от напряженности магнитного поля – кривая Столетова.

      4. У каждого ферромагнетика имеется такая температура, называемая точкой Кюри( ),выше которой это вещество теряет свои особые магнитные свойства.

Наличие температуры Кюри связано с разрушением при  упорядоченного состояния в магнитной подсистеме кристалла – параллельной ориентации магнитных моментов. Для никеля температура Кюри равна 360 °С. Если подвесить образец никеля вблизи пламени горелки так, чтобы он находился в поле сильного постоянного магнита, то не нагретый образец может располагаться горизонтально, сильно притягиваясь к магниту (рис. 6.9). По мере нагрева образца и достижения температуры  ферромагнитные свойства у никеля исчезают и образец никеля падает. Остыв до температуры ниже точки Кюри, образец вновь притянется к магниту. Нагревшись, вновь падает и т.д., колебания будут продолжаться все время, пока горит свеча.

Рис. 6.9

      5. Существование магнитного гистерезиса.

      На рисунке 6.10 показана петля гистерезиса – график зависимости намагниченности вещества от напряженности магнитного поля Н.

Рис. 6.10

      Намагниченность  при  называется намагниченностью насыщения.

      Намагниченность  при  называется остаточной намагниченностью (что необходимо для создания постоянных магнитов).

      Напряженность  магнитного поля, полностью размагниченного ферромагнетика, называется коэрцитивной силой. Она характеризует способность ферромагнетика сохранять намагниченное состояние.

      Большой коэрцитивной силой (широкой петлей гистерезиса) обладают магнитотвердые материалы. Малую коэрцитивную силу имеют магнитомягкие материалы.

      Измерение гиромагнитного отношения для ферромагнетиков показали, что элементарными носителями магнетизма в них являются спиновые магнитные моменты электронов.

      Самопроизвольно, при , намагничиваются лишь очень маленькие монокристаллы ферромагнитных материалов, например никеля или железа. Для того чтобы постоянным магнитом стал большой кусок железа, необходимо его намагнитить, т.е. поместить в сильное магнитное поле, а затем это поле убрать. Оказывается, что при  большой исходный кусок железа разбит на множество очень маленьких ( ), полностью намагниченных областей – доменов. Векторы намагниченности доменов в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы таким образом, что полный магнитный момент ферромагнитного материала равен нулю. Если бы в отсутствие поля кристалл железа был бы единым доменом, то это привело бы к возникновению значительного внешнего магнитного поля, содержащего значительную энергию (рис. 6.11, a). Разбиваясь на домены, ферромагнитный кристалл уменьшает энергию магнитного поля. При этом, разбиваясь на косоугольные области (рис. 6.11, г), можно легко получить состояние ферромагнитного кристалла, из которого магнитное поле вообще не выходит. В целом в монокристалле реализуется такое разбиение на доменные структуры, которое соответствует минимуму свободной энергии ферромагнетика. Если поместить ферромагнетик, разбитый на домены, во внешнее магнитное поле, то в нем начинается движение доменных стенок. Они перемещаются таким образом, чтобы областей с ориентацией вектора намагниченности по полю стало больше, чем областей с противоположной ориентацией (рис. 6.11, б, в, г). Такое движение доменных стенок понижает энергию ферромагнетика во внешнем магнитном поле. По мере нарастания магнитного поля весь кристалл превращается в один большой домен с магнитным моментом, ориентированным по полю (рис. 6.11, а).

Рис. 6.11

      Ферромагнитные материалы играют огромную роль в самых различных областях современной техники. Магнитомягкие материалы используются в электротехнике при изготовлении трансформаторов, электромоторов, генераторов, в слаботочной технике связи и радиотехнике; магнитожесткие материалы применяют при изготовлении постоянных магнитов.

      Широкое распространение в радиотехнике, особенно в высокочастотной радиотехнике, получили ферриты ( ) сочетающие ферромагнитные и полупроводниковые свойства.

      Магнитные материалы широко используются в традиционной технологии записи информации в винчестере (рис. 6.12).

Рис. 6.12                                                       Рис. 6.13

      Магнитное вещество 2 (рис. 6.13) нанесено тонким слоем на основу твердого диска 3. Каждый бит информации представлен группой магнитных доменов (в идеальном случае – одним доменом). Для перемагничивания домена (изменения направления вектора его намагниченности) используется поле записывающей головки 4 (5 – считывающая головка). Наличие дополнительных стабилизирующих слоев, препятствует самопроизвольной потере информации. Записью на вертикально ориентированные домены достигается плотность до 450 Гбайт/см2.

         Рис. 6.14                                                   Рис. 6.15

На рисунке 6.14 изображены первые магнитные диски созданные в 1955 г, имевшие название IBM 350 Disk File, с обьемом 5 Мб и размером 24 дюймов.

      В 1971 г. было произведено первое применение IBM3330 магнитного диска, созданного в 1957 г. с использованием магнитной головки и слота (рис. 6.15).