Ферромагнитный материал. Свойства и применение ферромагнетиков

В зависимости от магнитных свойств вещества бывают диамагнетиками, парамагнетиками и ферромагнетиками. И именно ферромагнитный материал обладает особыми свойствами, которые отличаются от остальных.

Что это за материал и какими свойствами обладает

Ферромагнитный материал (или ферромагнетик) — это вещество, которое находится в кристаллическом или аморфном твердом состоянии, которое имеет намагниченность в отсутствие какого-либо магнитного поля только при низкой критической температуре, то есть при температуре ниже точки Кюри. Магнитная восприимчивость этого материала положительна и превышает единицу. Некоторые ферромагнетики могут иметь спонтанную намагниченность, сила которой будет зависеть от внешних факторов. Кстати, такие материалы обладают прекрасной магнитной проницаемостью и способны усиливать внешнее магнитное поле в несколько сотен тысяч раз.

Группы ферромагнетиков

Всего существует две группы ферромагнитных материалов:

1. Магнитно-мягкая группа. Ферромагнетики этой группы обладают небольшими показателями напряженности магнитного поля, но обладают отличной магнитной проницаемостью (менее 8,0 × 10-4 Гн / м) и низкими потерями гистерезисного характера. К магнитомягким материалам относятся: пермаллой (сплавы с добавлением никеля и железа), оксидные ферромагнетики (ферриты), магнитодиэлектрики.
2. Магнитно-твердая (или магнитно-твердая группа). По своим характеристикам ферромагнетики этой группы превосходят предыдущую. Твердые магнитные вещества обладают как высокой напряженностью магнитного поля, так и хорошей магнитной проницаемостью. Они являются основными материалами для производства магнитов и устройств, в которых используется коэрцитивная сила и требуется отличная магнитная восприимчивость. Почти все углеродистые и некоторые легированные стали (кобальт, вольфрам и хром) относятся к группе магнитотвердых).

Материалы магнитно-мягкой группы

Как упоминалось выше, магнитомягкий узел содержит:

• Магнитодиэлектрики — это измельченная смесь порошка железа, магнетита или пермаллоя, обернутая диэлектрической пленкой. Как и ферриты, магнитодиэлектрики используются в качестве полупроводников в самых разных устройствах: усилителях, приемниках, передатчиках и т.д.
• Пермаллой, состоящий только из сплавов железа и никеля. Иногда в пермаллой добавляют хром и молибден для увеличения проницаемости. Правильно изготовленные пермаллои отличаются высокими значениями магнитной проницаемости и коэрцитивной силы.
• Ферриты — это ферромагнитный материал, состоящий из оксидов железа и цинка. В железо и цинк часто добавляют оксиды марганца или никеля для снижения прочности. Поэтому ферриты часто используются в качестве полупроводников с высокочастотным током.

Материалы магнитно-твердой группы

К группе магнитотвердых материалов относятся следующие материалы:

• Прочие сплавы. К ним относятся: сплавы вольфрама, магния, платины и кобальта.
• Углеродистые стали, состоящие из сплава железа и углерода. В зависимости от количества углерода бывают низкоуглеродистые стали (менее 0,25% углерода), среднеуглеродистые стали (0,25–0,6% углерода) и высокоуглеродистые стали углеродистые (до 2% углерода). Помимо железа и углерода в сплав также могут входить кремний, магний и марганец. Но наиболее качественными и наиболее подходящими ферромагнитными материалами являются те углеродистые стали, которые имеют наименьшее количество примесей.
• Сплавы на основе редкоземельных элементов, такие как сплавы самарий-кобальт (соединения SmCo5 или Sm2Co17). Они имеют высокие значения магнитной проницаемости с остаточной индукцией 0,9 Тесла. Также в этом случае магнитное поле в ферромагнетиках этого типа составляет 0,9 Тл.

Отличие ферромагнитного материала от других веществ, обладающих магнитными свойствами

В начале статьи было сказано, что ферромагнетики обладают особыми свойствами, которые существенно отличаются от других материалов, и вот некоторые доказательства:

1. В отличие от диамагнетиков и парамагнетиков, свойства которых определяются отдельными атомами и молекулами вещества, свойства ферромагнетиков зависят от кристаллической структуры.
2. Ферромагнитные материалы, в отличие, например, от парамагнетиков, имеют большие значения магнитной проницаемости.
3. Помимо проницаемости, ферромагнетики также отличаются от парамагнитных материалов тем, что у них есть зависимая взаимосвязь между намагниченностью и силой намагничивающего поля, которое имеет научное название: магнитный гистерезис. Этому явлению подвержены многие ферромагнитные материалы, такие как кобальт и никель, а также сплавы на их основе. Кстати, именно магнитный гистерезис позволяет магнитам длительное время сохранять состояние намагниченности.
4. Некоторые ферромагнитные материалы также имеют тенденцию изменять форму и размер при намагничивании. Это явление называется магнитострикцией и зависит не только от типа ферромагнетика, но и от других не менее важных факторов, таких как напряженность полей и положение кристаллографических осей по отношению к ним.
5. Еще одна интересная особенность ферромагнетика — способность терять свои магнитные свойства или, проще говоря, превращаться в парамагнетик. Этого эффекта можно добиться, нагревая материал выше так называемой точки Кюри, при этом переход в парамагнитное состояние не сопровождается какими-либо внешними явлениями и практически незаметен невооруженным глазом.

Область применения ферромагнетиков

Как видите, ферромагнитный материал занимает особо важное место в современном мире технологий. Применяется при производстве:

• колонки и некоторые типы телефонов;
• магнитные компасы;
• жесткие диски для ноутбуков и ПК;
• усилители и приемники;
• постоянные магниты;
• передатчики;
• приемники;
• электроизмерительные приборы;
• электронные моторы;
• трансформаторы и генераторы;
• звукозаписывающие устройства.

В прошлом некоторые магнитомягкие материалы также использовались в радиотехнике для создания магнитных лент и пленок.