Kas ir feromagnēts?

Feromagnētiskie materiāli parasti ir balstīti uz elementu dzelzi un ir viens no trim dabā sastopamajiem magnētisma veidiem, kas atšķiras no diamagnētisma un paramagnētisma. Feromagnētu galvenās iezīmes ir tādas, ka tiem ir dabisks magnētiskais lauks, ja tas vispirms netiek uzspiests vielai no ārēja magnētiskā lauka avota, un lauks jebkurā gadījumā ir pastāvīgs. Turpretī diamagnētiskie materiāli parāda vāju, inducētu magnētisko lauku, kas ir tieši pretējs tam, kas atrodas dzelzē. Paramagnētiskie materiāli ietver alumīnija un platīna metālus, kuriem var būt arī neliels magnētiskais lauks, bet tie ātri zaudē efektu, kad inducējošais lauks tiek noņemts.

Visizplatītākais materiāls dabā, kam piemīt feromagnētiskas īpašības, ir dzelzs, un šī kvalitāte ir zināma jau vairāk nekā 2,000 gadu. Arī citiem retzemju metāliem, piemēram, gadolīnijam un disprozijam, var būt feromagnētisms. Metāli, kas darbojas kā feromagnētiskie sakausējumi, ietver kobaltu, kas sakausēts ar samariamu vai neodīmu.

Magnētiskais lauks feromagnētā ir centrēts atomu apgabalos, kur elektronu spini ir novietoti paralēli viens otram, ko sauc par domēniem. Šie domēni ir spēcīgi magnētiski, tomēr nejauši izkliedēti visā materiāla lielākajā daļā, kas piešķir tam vispārēju vāju vai neitrālu dabisko magnētismu. Ņemot šādus dabiski magnētiskos laukus un pakļaujot tos ārējam magnētiskajam avotam, paši domēni izlīdzināsies un materiāls saglabās vienmērīgu, spēcīgu un noturīgu magnētisko lauku. Šo vielas vispārējā magnētisma palielināšanos sauc par relatīvo caurlaidību. Dzelzs un retzemju metālu spēja saglabāt šo domēnu izlīdzinājumu un vispārējo magnētismu ir pazīstama kā histerēze.

Lai gan feromagnēts saglabā savu lauku, kad inducējošais magnētiskais lauks tiek noņemts, laika gaitā tas saglabā tikai daļu no sākotnējā stipruma. To sauc par remanenci. Remanence ir svarīga, aprēķinot pastāvīgo magnētu stiprumu, pamatojoties uz feromagnētismu, kur tos izmanto rūpnieciskajās un patēriņa ierīcēs.

Vēl viens visu feromagnētisko ierīču ierobežojums ir tas, ka magnētisma īpašības tiek pilnībā zaudētas noteiktā temperatūras diapazonā, kas pazīstams kā Kirī temperatūra. Ja feromagnētam tiek pārsniegta Kirī temperatūra, tā īpašības mainās uz paramagnēta īpašībām. Kirī paramagnētiskās jutības likums izmanto Langevin funkciju, lai aprēķinātu feromagnētisko un paramagnētisko īpašību izmaiņas zināmos materiālu sastāvos. Pāreja no viena stāvokļa uz otru notiek pēc paredzamas, augošas, paraboliskas formas līknes, temperatūrai paaugstinoties. Šo feromagnētisma tendenci vājināties un galu galā izzust, paaugstinoties temperatūrai, sauc par termisko uzbudinājumu.

Elektriskā dūkoņa, ko dzird transformatorā bez kustīgām daļām, ir saistīta ar feromagnēta izmantošanu, un to sauc par magnetostrikciju. Tā ir feromagnēta reakcija uz inducēto magnētisko lauku, ko rada transformatoram pievadītā elektriskā strāva. Šis inducētais magnētiskais lauks liek vielas dabiskajam magnētiskajam laukam nedaudz mainīt virzienu, lai saskaņotos ar pielietoto lauku. Tā ir transformatora mehāniska reakcija uz maiņstrāvu (AC), kas parasti mainās 60 hercu ciklos vai 60 reizes sekundē.
Uzlabotiem pētījumiem, izmantojot feromagnēta īpašības, ir vairāki aizraujoši potenciālie pielietojumi. Astronomijā feromagnētiskais šķidrums tiek veidots kā šķidruma spogulis, kas varētu būt gludāks par stikla spoguļiem un radīts par nelielu daļu no teleskopu un kosmosa zondu izmaksām. Spoguļa formu var mainīt arī, pārvietojot magnētiskā lauka izpildmehānismus ar viena kiloherca cikliem.

Feromagnētisms ir atklāts arī saistībā ar supravadītspēju 2011. gadā notiekošajos pētījumos. Niķeļa un bismuta savienojumam Bi3Ni, kas izstrādāts nanometru mērogā jeb viena miljarda daļā no metra, piemīt īpašības, kas atšķiras no tā paša savienojuma īpašībām lielākos paraugos. . Materiālu īpašības šajā mērogā ir unikālas, jo feromagnētisms parasti atceļ supravadītspēju, un tā potenciālie lietojumi joprojām tiek pētīti.
Vācu pētījumi par pusvadītājiem, kas izgatavoti uz feromagnēta, ir saistīti ar gallija mangāna arsēna savienojumu GaMnAs. Ir zināms, ka šim savienojumam ir augstākā Kirī temperatūra no jebkura feromagnēta pusvadītāja — 212 ° Fārenheita (100 ° C). Šādi savienojumi tiek pētīti kā līdzeklis supravadītāju elektriskās vadītspējas dinamiskai regulēšanai.