Ферромагнетиктерді қолданудың негізгі салаларын, сондай-ақ олардың классификациясының ерекшеліктерін қарастырайық. Ферромагнетиктерді төмен температурада бақыланбайтын магниттелетін қатты заттар деп атайтынынан бастайық. Ол деформацияның, магнит өрісінің, температураның ауытқуының әсерінен өзгереді.
Ферромагнетиктердің қасиеттері
Ферромагнетиктердің технологияда қолданылуы олардың физикалық қасиеттерімен түсіндіріледі. Олардың магниттік өткізгіштігі вакуумдікінен бірнеше есе жоғары. Осыған байланысты энергияның бір түрін екіншісіне түрлендіру үшін магнит өрісін пайдаланатын барлық электр құрылғыларында магнит ағынын өткізуге қабілетті ферромагниттік материалдан жасалған арнайы элементтер бар.
Ферромагнетиктердің ерекшеліктері
Ферромагнетиктердің ерекше белгілері қандай? Бұл заттардың қасиеттері мен қолданылуы ішкі құрылысының ерекшеліктерімен түсіндіріледі. Заттың магниттік қасиеттері мен атомның ішінде қозғалатын электрондар болып табылатын магнетизмнің элементар тасымалдаушылары арасында тікелей байланыс бар.
Дөңгелек орбиталармен қозғалған кезде олар қарапайым токтар мен магниттімагниттік моменті бар дипольдер. Оның бағыты гимлет ережесімен анықталады. Дененің магниттік моменті барлық бөліктердің геометриялық қосындысы болып табылады. Дөңгелек орбиталарда айналумен қатар, электрондар өз осьтерінің айналасында қозғалып, спиндік моменттерді жасайды. Олар ферромагнетиктердің магниттелу процесінде маңызды қызмет атқарады.
Ферромагнетиктердің практикалық қолданылуы оларда спиндік моменттердің параллель бағдарлануымен өздігінен магниттелген аймақтардың пайда болуымен байланысты. Егер ферромагнетик сыртқы өрісте орналаспаса, онда жеке магниттік моменттердің бағыттары әртүрлі, олардың қосындысы нөлге тең және магниттелу қасиеті жоқ.
Ферромагнетиктердің айрықша ерекшеліктері
Егер парамагнетиктер заттың жеке молекулаларының немесе атомдарының қасиеттерімен байланысты болса, онда ферромагниттік қасиеттерді кристалдық құрылымның ерекшелігімен түсіндіруге болады. Мысалы, бу күйінде темір атомдары аздап диамагнитті, ал қатты күйде бұл металл ферромагнетик болып табылады. Зертханалық зерттеулер нәтижесінде температура мен ферромагниттік қасиеттер арасындағы байланыс анықталды.
Мысалы, магниттік қасиеттері темірге ұқсас Гоислер қорытпасында бұл металл жоқ. Кюри нүктесіне (белгілі бір температура мәні) жеткенде, ферромагниттік қасиеттер жоғалады.
Айрықша сипаттамаларының ішінде магниттік өткізгіштіктің жоғары мәнін ғана емес, сонымен қатар өріс күші менмагниттелу.
Ферромагнетиктің жеке атомдарының магниттік моменттерінің өзара әрекеттесуі бір-біріне параллель орналасқан күшті ішкі магнит өрістерінің пайда болуына ықпал етеді. Күшті сыртқы өріс бағдардың өзгеруіне әкеледі, бұл магниттік қасиеттердің жоғарылауына әкеледі.
Ферромагнетиктердің табиғаты
Ғалымдар ферромагнетизмнің айналмалы табиғатын анықтады. Электрондарды энергетикалық қабаттарға таратқанда Паули алып тастау принципі ескеріледі. Оның мәні әрбір қабатта олардың белгілі бір саны ғана болуы мүмкін. Толық толтырылған қабықшада орналасқан барлық электрондардың орбиталық және спиндік магниттік моменттерінің нәтижелік мәндері нөлге тең.
Ферромагниттік қасиеттері бар химиялық элементтер (никель, кобальт, темір) периодтық жүйенің өтпелі элементтері болып табылады. Олардың атомдарында қабықшаларды электрондармен толтыру алгоритмінің бұзылуы байқалады. Алдымен олар жоғарғы қабатқа (s-орбиталь) енеді және ол толығымен толтырылғаннан кейін ғана электрондар төменде орналасқан қабықшаға түседі (d-орбиталь).
Негізі темір болатын ферромагнетиктердің кең ауқымда қолданылуы сыртқы магнит өрісінің әсерінен құрылымының өзгеруімен түсіндіріледі.
Ұқсас қасиеттерге атомдарында ішкі аяқталмаған қабықшалары бар заттар ғана ие болуы мүмкін. Бірақ бұл жағдайдың өзі ферромагниттік сипаттамалар туралы айту үшін жеткіліксіз. Мысалы, хром, марганец, платина да баратомдар ішіндегі аяқталмаған қабықтар, бірақ олар парамагниттік. Өздігінен магниттелудің пайда болуы классикалық физика арқылы түсіндіру қиын болатын ерекше кванттық әрекетпен түсіндіріледі.
Бөлім
Мұндай материалдарды екі түрге шартты түрде бөлу бар: қатты және жұмсақ ферромагнетиктер. Қатты материалдарды пайдалану магниттік дискілерді, ақпаратты сақтауға арналған таспаларды жасаумен байланысты. Жұмсақ ферромагнетиктер электромагниттерді, трансформатор өзектерін жасауда таптырмас. Екі түрдің арасындағы айырмашылықтар осы заттардың химиялық құрылымының ерекшеліктерімен түсіндіріледі.
Қолдану мүмкіндіктері
Қазіргі технологияның әртүрлі салаларында ферромагнетиктерді қолданудың кейбір мысалдарын толығырақ қарастырайық. Жұмсақ магниттік материалдар электротехникада электр қозғалтқыштарын, трансформаторларды, генераторларды жасау үшін қолданылады. Бұған қоса, осы түрдегі ферромагнетиктерді радиобайланыс пен төмен токты технологияда қолдануды атап өткен жөн.
Тұрақты магниттер жасау үшін қатты түрлер қажет. Сыртқы өріс өшірілсе, ферромагнетиктер өздерінің қасиеттерін сақтайды, өйткені элементар токтардың бағыты жойылмайды.
Дәл осы қасиет ферромагнетиктердің қолданылуын түсіндіреді. Қысқасы, мұндай материалдар заманауи технологияның негізі деп айта аламыз.
Тұрақты магниттер электр өлшеу құралдарын, телефондарды, дауыс зорайтқыштарды, магниттік компастарды, дыбыс жазғыштарды жасау кезінде қажет.
Ферриттер
Ферромагнетиктерді қолдануды ескере отырып, ферриттерге ерекше назар аудару қажет. Олар жоғары жиілікті радиотехникада кеңінен қолданылады, өйткені олар жартылай өткізгіштер мен ферромагнетиктердің қасиеттерін біріктіреді. Қазіргі уақытта магниттік таспалар мен пленкалар, индукторлардың өзектері мен дискілері ферриттерден жасалады. Олар табиғатта кездесетін темір оксидтері.
Қызықты фактілер
Қызығушылық – ферромагнетиктерді электр машиналарында, сондай-ақ қатты дискіге жазу технологиясында қолдану. Қазіргі заманғы зерттеулер белгілі бір температурада кейбір ферромагнетиктердің парамагниттік сипаттамаларға ие болуы мүмкін екенін көрсетеді. Сондықтан бұл заттар нашар түсінілген деп саналады және физиктерді ерекше қызықтырады.
Болат өзек ток күшін өзгертпестен магнит өрісін бірнеше есе арттыруға қабілетті.
Ферромагнетиктерді пайдалану электр энергиясын айтарлықтай үнемдеуге мүмкіндік береді. Сондықтан генераторлардың, трансформаторлардың, электр қозғалтқыштарының өзектері үшін ферромагниттік қасиеттері бар материалдар қолданылады.
Магниттік гистерезис
Бұл магнит өрісінің кернеулігі мен магниттелу векторының сыртқы өріске тәуелділік құбылысы. Бұл қасиет ферромагнетиктерде, сондай-ақ темірден, никельден, кобальттан жасалған қорытпаларда көрінеді. Ұқсас құбылыс өрістің бағыты мен шамасы өзгерген жағдайда ғана емес, оның айналуында да байқалады.
Өткізгіштік
Магниттік өткізгіштік – белгілі бір ортадағы индукцияның вакуумдегіге қатынасын көрсететін физикалық шама. Егер зат өзінің магнит өрісін жасаса, ол магниттелген болып саналады. Ампер гипотезасы бойынша қасиеттердің мәні атомдағы «еркін» электрондардың орбиталық қозғалысына байланысты.
Гистерезис контуры – сыртқы өрісте орналасқан ферромагнетиктің магниттелу мөлшерінің өзгеруінің индукция өлшемінің өзгеруіне тәуелділігінің қисығы. Пайдаланылған денені толығымен магнитсіздендіру үшін сыртқы магнит өрісінің бағытын өзгерту керек.
Магниттік индукцияның белгілі бір мәнінде, ол коэрцивтік күш деп аталады, үлгінің магниттелуі нөлге айналады.
Заттың ішінара магниттелуін сақтау қабілетін анықтайтын гистерезис контурының пішіні және коэрцив күшінің шамасы, ферромагнетиктердің кеңінен қолданылуын түсіндіреді. Қысқаша, кең гистерезис контуры бар қатты ферромагнетиктерді қолдану аймақтары жоғарыда сипатталған. Вольфрам, көміртекті, алюминий, хромды болаттар үлкен күшке ие, сондықтан олардың негізінде әртүрлі пішіндегі тұрақты магниттер жасалады: жолақ, жылқы.
Кішкене мәжбүрлеу күші бар жұмсақ материалдардың ішінде темір рудаларын, сондай-ақ темір-никель қорытпаларын атап өтеміз.
Ферромагнетиктердің магниттелуінің кері айналу процесі өздігінен магниттелу аймағының өзгеруімен байланысты. Ол үшін сыртқы өрістің атқарған жұмыстары пайдаланылады. Саныбұл жағдайда түзілетін жылу гистерезис контурының ауданына пропорционал.
Қорытынды
Қазіргі уақытта технологияның барлық салаларында ферромагниттік қасиеттері бар заттар белсенді түрде қолданылады. Энергия ресурстарын айтарлықтай үнемдеумен қатар, мұндай заттарды пайдалану технологиялық процестерді жеңілдетуі мүмкін.
Мысалы, қуатты тұрақты магниттермен қаруланған болсаңыз, көліктерді жасау процесін айтарлықтай жеңілдетуге болады. Қазіргі уақытта отандық және шетелдік автомобиль зауыттарында қолданылатын қуатты электромагниттер ең көп еңбекті қажет ететін технологиялық процестерді толығымен автоматтандыруға мүмкіндік береді, сонымен қатар жаңа көліктерді құрастыру процесін айтарлықтай жылдамдатады.
Радиотехникада ферромагнетиктер ең жоғары сапа мен дәлдіктегі құрылғыларды алуға мүмкіндік береді.
Ғалымдар медицина мен электроникада қолдануға жарамды магниттік нанобөлшектерді өндірудің бір сатылы әдісін жасай алды.
Үздік ғылыми-зерттеу зертханаларында жүргізілген көптеген зерттеулердің нәтижесінде жұқа алтын қабатымен қапталған кобальт пен темір нанобөлшектерінің магниттік қасиеттерін анықтау мүмкін болды. Олардың қатерлі ісікке қарсы препараттарды немесе радионуклид атомдарын адам денесінің оң жақ бөлігіне тасымалдау және магниттік-резонансты бейнелердің контрастын арттыру қабілеті қазірдің өзінде расталды.
Сонымен қатар, мұндай бөлшектер магниттік жад құрылғыларын жаңарту үшін пайдаланылуы мүмкін, бұл инновациялық құрудағы жаңа қадам болады.медициналық технология.
Ресей ғалымдарының тобы жақсартылған магниттік сипаттамалары бар материалдарды жасау үшін қолайлы аралас кобальт-темір нанобөлшектерін алу үшін хлоридтердің сулы ерітінділерін қалпына келтіру әдісін жасап, сынап көрді. Ғалымдар жүргізген барлық зерттеулер заттардың ферромагниттік қасиеттерін жақсартуға, олардың өндірісте пайдалану пайызын арттыруға бағытталған.
