Какие вещества называют ферромагнетиками какими свойствами они обладают
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 7 апреля 2018; проверки требуют 8 правок.
Ферромагнетик — упорядочивание магнитных моментов.
Ферромагне́тики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое (при температуре ниже точки Кюри) способно обладать намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля.
Свойства ферромагнетиков[править | править код]
- Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.
- При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.
- Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса.
- Ферромагнетики притягиваются магнитом.
Представители ферромагнетиков[править | править код]
Среди химических элементов[править | править код]
Среди химических элементов ферромагнитными свойствами обладают переходные элементы Fe, Со и Ni (3d-металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Ho, Er (см. Таблицу 1).
Таблица 1. — Ферромагнитные металлы
|
|
Js0 — величина намагниченности единицы объёма при абсолютном нуле температуры, называемая спонтанной намагниченностью. Tc — точка Кюри (критическая температура, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком).
Для 3d-металлов и для гадолиния (Gd) характерна коллинеарная ферромагнитная атомная структура, а для остальных редкоземельных ферромагнетиков — неколлинеарная (спиральная и др.; см. Магнитная структура).
Среди соединений[править | править код]
Ферромагнитами также являются многочисленные металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами, сплавы и соединения хрома (Cr) и марганца (Mn) с неферромагнитными элементами (так называемые гейслеровы сплавы), например, сплав Cu2MnAl, соединения ZrZn2 и ZrxM1−xZn2 (где М — это Ti, Y, Nb или Hf), Au4V, Sc3In и др. (Таблица 2), а также некоторые соединения металлов группы актиноидов (например, UH3).
| Соединение | Tc, К | Соединение | Tc, К |
|---|---|---|---|
| Fe3AI | 743 | TbN | 43 |
| Ni3Mn | 773 | DyN | 26 |
| FePd3 | 705 | EuO | 77 |
| MnPt3 | 350 | MnB | 578 |
| CrPt3 | 580 | ZrZn2 | 35 |
| ZnCMn3 | 353 | Au4V | 42—43 |
| AlCMn3 | 275 | Sc3ln | 5—6 |
Другие известные[править | править код]
Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов (например, Fe или Со) в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях, аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стёклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т. п. Число известных неметаллических ферромагнетиков пока невелико. Это, например, оксид хрома(IV) и ионные соединения типа La1−xCaxMnO3(0,4 > x > 0,2), EuO, Eu2SiO4, EuS, EuSe, EuI2, CrB3 и т. п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB3 значение Q составляет порядка 100 К.
См. также[править | править код]
Примечания[править | править код]
Литература[править | править код]
- Хёрд К. М. Многообразие видов магнитного упорядочения в твёрдых телах
- Аннаев Р. Г. Магнето-электрические явления в ферромагнитных металлах. — Ашхабад, 1951.
- Тябликов С. В. Методы квантовой теории магнетизма. — 2-е изд. — М., 1975.
- Невзгодова Е. — Современная экспериментальная физика. — 3-е изд. — СПб., 2009.
Источник
Что такое ферромагнетики
Ферромагнетиками называют вещества, для которых характерна самопроизвольная намагниченность, значительно изменяемая в процессе воздействия внешних факторов таких, как магнитное поле, деформация и температура.
Магнитная восприимчивость ферромагнетиков обладает положительными значениями и равна 10 в 4 или 5 степени. Если напряжённость магнитного поля растет нелинейно, наблюдается увеличение намагниченности и магнитной индукции ферромагнетических веществ.
Отличительное свойство
Ферромагнетики отличаются от диамагнетиков и парамагнетиков наличием самопроизвольной или спонтанной намагниченности, когда внешнее магнитное поле отсутствует. Данный факт говорит об упорядоченной ориентации электронных спинов и магнитных моментов. Ещё одной особенностью ферромагнетиков в отличие от других типов магнетических веществ является значительное превышение внутреннего магнитного поля по сравнению с аналогичными характеристиками внешнего поля.
Примеры материалов
Можно найти немного примеров природных ферромагнетиков. Широко распространены ферриты, которые представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Первым открытым ферромагнитным материалом является магнитный Железняк, который относятся к категории ферритов. Ферромагнетическими свойствами обладают следующие материалы:
- техническое железо;
- оксидные ферромагнетики;
- низкоуглеродистая сталь;
- электротехническая листовая сталь;
- пермаллои, включая железно-никелевый сплав, характеризующийся высокой проницаемостью.
Основные характеристики
Ферромагнетические материалы обладают уникальными физико-химическими свойствами. Основными характеристиками ферромагнетиков являются:
- Ферромагнетизм материалов возможен лишь тогда, когда вещество находится в кристаллическом состоянии.
- Ориентация магнитных полей доменов затруднена из-за теплового движения, что подтверждает прямую зависимость свойств ферромагнетиков от температуры. Температура разрушения доменной структуры ферромагнетического вещества может отличаться. Данный показатель называется точкой Кюри. При его достижении ферромагнетик трансформируется в парамагнетик. К примеру, в чистом железе такой процесс происходит, когда температура Кюри достигает 900 градусов.
- Намагничивание ферромагнетиков происходит до насыщения в слабых магнитных полях.
- Параметры магнитного поля определяют магнитную проницаемость ферромагнетических веществ.
- Ферромагнетики обладают остаточной намагниченностью. Можно наблюдать опытным путем на примере ферромагнитного стержня, помещенного под током соленоида, как при намагничивании до насыщения, а затем уменьшении тока, индукция поля в стержне во время его размагничивания сохраняется на более высоком уровне, чем при намагничивании.
Электронные оболочки у ферромагнетиков
Ферромагнетиками могут являться материалы, находящиеся в твердом состоянии. При этом магнитный момент их атомов, в частности с недостроенными внутренними электронными оболочками, является постоянно спиновым или орбитальным. Распространенным примером ферромагнетиков являются переходные металлы. В ферромагнетических материалах резко усиливаются внешние магнитные поля. К ним относятся:
- железо;
- кобальт;
- никель;
- гадолиний;
- тербий;
- диспрозий;
- гольмий;
- эрбий;
- тулий;
- соединения ферромагнетиков с веществами, не являющиеся ферромагнетиками.
Значительная доля веществ не обладает ферромагнетическими свойствами. Это объясняется особым расположением электронов, когда электронные оболочки атомов заполняются. Их магнитные поля ориентированы в противоположных направлениях и компенсируют друг друга, что снижает степень потенциальной энергии взаимодействия электронов.
Наблюдая атомы с нечетным числом электронов на оболочках, которые соединяются в молекулы или кристаллы, можно заметить взаимную компенсацию магнитных полей неспаренных электронов. Атомы железа, никеля, кобальта в кристаллических структурах обладают собственными магнитными полями неспаренных электронов, которые ориентированы параллельно друг другу. Это приводит к образованию микроскопических намагниченных областей или доменов. Суммарное магнитное поле таких образований нулевое. Если материал поместить во внешнее магнитное поле, то поля доменов будут ориентироваться соответственно, что сопровождается намагничиванием ферромагнетиков.
Типы ферромагнетиков, свойства
Ферромагнитные вещества отличаются по характеру магнитного взаимодействия. Выделяют две основные группы ферромагнетиков:
- Магнитно-мягкие материалы.
- Магнитно-жесткие материалы.
К первой категории относят ферромагнетики, способные практически полностью устранять собственное магнитное поле при исчезновении внешнего. В процессе материал размагничивается. Такие вещества активно используются в производстве сердечников трансформаторов и электромагнитов. Магнито-жесткие материалы применяют для создания таких изделий, как постоянные магниты, магнитные ленты и диски, на которые записывается информация.
Потеря свойств ферромагнетизма
Ферромагнетические вещества называют «магнитозамороженными» парамагнетиками. Атомы парамагнетических материалов обладают магнитными моментами, которые пребывают в хаотичном вращательном движении. В случае ферромагнетиков моменты направлены определенно. При возрастании температуры число случайных температурных флуктуаций магнитных моментов атомов увеличивается. В случае, если температура ферромагнетика становится приближенной к температуре Кюри, то есть сравнимой с температурой магнитного «плавления», происходит полное разрушение ферромагнитного порядка температурными флуктуациями, и наблюдается переход вещества в парамагнитное состояние:
- магнитный «газ» кристалла;
- магнитная «жидкость» кристалла.
Изменение температуры в первую очередь влияет на намагниченность ферромагнетиков. По мере ее возрастания свойство намагниченности снижается и становится равно нулю в точке Кюри. В данном температурном режиме происходит изменение всех других свойств, которые определяют разницу между ферромагнетиками и парамагнетиками, а также характеристик вещества, не связанных с отличительными особенностями этих типов магнетиков. К примеру, изменение электрических и акустических свойств ферромагнитного материала, в связи с тем, что твердое тело обладает упругой, электрической, магнитной и другими подсистемами, при изменении одной из которых меняются и другие.
Температура Кюри
Каждый ферромагнетик обладает рядом характеристик. Важным параметром вещества является температура, при которой оно утрачивает свои магнитные свойства. Этот показатель называется точкой Кюри. При температуре, превышающей точку Кюри, упорядоченное состояние в магнитной подсистеме кристалла разрушается.
На примере металла
Потерю свойств ферромагнетика в зависимости от температуры окружающей среды можно рассмотреть опытным путем. К примеру, никель обладает температурой Кюри в 360 градусов. Подвешенный образец металла подвергают воздействию внешнего магнитного поля. В систему помещают горелку. При обычной температуре никель примет горизонтальное положение, так как будет сильно притягиваться магнитом. Если образец нагреть до температуры Кюри, его свойство намагниченности ослабевает, он перестанет притягиваться и начнет падать. После остывания до температуры, которая ниже точки Кюри, никель вновь приобретает ферромагнитные свойства и притягивается к магниту.
Применение ферромагнетиков, примеры
Ферромагнитные вещества благодаря особым физико-химическим свойствам нашли широкое применение в разных сферах электротехники. С помощью магнито-мягких типов ферромагнетиков производят такое оборудование и агрегаты, как:
- трансформаторы;
- электродвигатели;
- генераторы;
- слаботочную технику связи;
- радиотехнику.
Ферромагнетики в условиях отсутствия внешнего магнитного поля остаются намагниченными, создавая магнитное поле во внешней среде. Элементарные токи в веществе сохраняют упорядоченную ориентацию. Свойство активно используется в современной промышленности для создания постоянных магнитов, которые используют для изготовления следующих видов оборудования:
- электроизмерительные приборы;
- громкоговорители;
- телефоны;
- звукозаписывающая аппаратура;
- магнитные компасы.
Материалы, относящиеся к ферритам, обладающие одновременно ферромагнитными и полупроводниковыми свойствами, широко распространены в производстве радиотехники. Вещества активно применяются при изготовлении сердечников катушек индуктивности, магнитных лент, пленок и дисков.
Источник
Все диа- и парамегнетики – это вещества, намагничивающиеся весьма слабо, их магнитная проницаемость близка к единице и не зависит от напряженности магнитного поля Н. Наряду с диа- и парамагнетиками имеются вещества, способные сильно намагничиваться. Они называются ферромагнетиками.
Ферромагнетики или ферромагнитные материалы получили свое название от латинского наименования основного представителя этих веществ – железа (ferrum). К ферромагнетикам, кроме железа, относятся кобальт, никель, гадолиний, многие сплавы и химические соединения. Ферромагнетики – это вещества, способные очень сильно намагничиваться, в которых внутреннее (собственное) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле.
Свойства ферромагнетиков
1. Способность сильно намагничиваться.
Значение относительной магнитной проницаемости m в некоторых ферромагнетиках достигает величины 106 .
2. Магнитное насыщение.
На рис. 1 приведена экспериментальная зависимость намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля . Как видно из рисунка, с некоторого значения Н численное значение намагниченности ферромагнетиков практически остается постоянным и равным Jнас. Это явление было открыто русским ученым А.Г. Столетовым и названо магнитным насыщением.
3.Нелинейные зависимости B(H) и m(H).
С ростом напряженности индукция сначала увеличивается, но по мере намагничения магнетика ее нарастание замедляется, и в сильных полях растет с увеличением по линейному закону (рис.2).
Вследствие нелинейной зависимости B(H),
т.е. магнитная проницаемость m сложным образом зависит от напряженности магнитного поля (рис.3). Вначале, с увеличением напряженности поля m возрастает от начального значения до некоторой максимальной величины, а затем уменьшается и асимптотически стремится к единице.
4. Магнитный гистерезис.
Другой отличительной особенностью ферромагнетиков является их
способность сохранять намагничение после снятия намагничивающего поля. При изменении напряженности внешнего магнитного поля от нуля в сторону положительных значений индукция возрастает (рис.4, участок
При уменьшении до нуля магнитная индукция запаздывает в уменьшении и при значении , равным нулю, оказывается равной (остаточная индукция), т.е. при снятии внешнего поля ферромагнетик остается намагниченным и представляет собой постоянный магнит. Для полного размагничивания образца необходимо приложить магнитное поле обратного направления – . Величина напряженности магнитного поля , которую надо приложить к ферромагнетику для его полного размагничивания, называется коэрцитивной силой.
Явление отставания изменения магнитной индукции в ферромагнетике от изменения напряженности переменного по величине и направлению внешнего намагничивающего поля называется магнитным гистерезисом.
При этом зависимость от будет изображаться петлеобразной кривой, носящей название петли гистерезиса, изображенной на рис.4.
В зависимости от формы петли гистерезиса различают магнитожесткие и магнитомягкие ферромагнетики. Жесткими ферромагнетиками называют вещества с большим остаточным намагничением и большой коэрцитивной силой, т.е. с широкой петлей гистерезиса (рис. 5а). Они применяются для изготовления постоянных магнитов (углеродистые, вольфрамовые, хромовые, аллюминиево-никелевые и другие стали).
Мягкими ферромагнетиками называются вещества с малой коэрцитивной силой, которые очень легко перемагничиваются, с узкой петлей гистерезиса (рис. 5б). (Чтобы получить эти свойства, специально создано так называемое трансформаторное железо, сплав железа с небольшой примесью кремния). Область их применения – изготовление сердечников трансформаторов; к ним относятся мягкое железо, сплавы железа с никелем (пермаллой, супермаллой).
5. Наличие температуры (точки) Кюри.
Точка Кюри – это характерная для данного ферромагнетика температура, при которой полностью исчезают ферромагнитные свойства.
При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. При охлаждении ниже точки Кюри он восстанавливает свои ферромагнитные свойства. Для различных веществ эта температура различна (для Fe – 7700C, для Ni – 2600C).
6. Магнитострикция – явление деформации ферромагнетиков при намагничивании. Величина и знак магнитострикции зависят от напряженности намагничивающего поля и природы ферромагнетика. Это явление широко используют для устройства мощных излучателей ультразвука, применяемых в гидролокации, звукоподводной связи, навигации и т.д.
У ферромагнетиков наблюдается и обратное явление – изменение намагниченности при деформации. Сплавы со значительной магнитострикцией применяются в приборах, служащих для измерения давления и деформаций.
Источник
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.
Источник