Wat is een ferromagneet?
Ferromagnetische materialen zijn meestal gebaseerd op het element ijzer en vertegenwoordigen een van de drie soorten magnetisme die in de natuur worden gevonden, onderscheiden van diamagnetisme en paramagnetisme. De primaire kenmerken van ferromagneten zijn dat ze een natuurlijk magnetisch veld vertonen bij afwezigheid van deze eerste oplegging aan de substantie door een externe magnetische veldbron, en het veld is voor alle doeleinden permanent. Diamagnetische materialen vertonen daarentegen een zwak, geïnduceerd magnetisch veld dat recht tegenover het veld in ijzer staat. Paramagnetische materialen omvatten aluminium en platinametalen, die kunnen worden geïnduceerd om ook een licht magnetisch veld te hebben, maar snel het effect verliezen wanneer het inducerende veld wordt verwijderd.
Het meest voorkomende materiaal in de natuur dat ferromagnetische eigenschappen vertoont, is ijzer en deze kwaliteit is al meer dan 2000 jaar bekend. Andere zeldzame aarden kunnen ook ferromagnetisme vertonen, zoals gadolinium en dysprosium. Metalen die fungeren als ferromagnetische legeringen omvatten kobalt gelegeerd met samariam of neodymium.
Het magnetische veld in een ferromagneet is gecentreerd in atomaire gebieden waar elektronspins parallel aan elkaar zijn uitgelijnd, bekend als domeinen. Deze domeinen zijn sterk magnetisch, maar toch willekeurig verspreid over het grootste deel van een materiaal zelf, wat het een algemeen zwak of neutraal natuurlijk magnetisme geeft. Door dergelijke natuurlijk magnetische velden te nemen en ze bloot te stellen aan een externe magnetische bron, zullen de domeinen zelf uitlijnen en zal het materiaal een uniform, sterk en duurzaam magnetisch veld behouden. Deze toename van het algemene magnetisme van een stof staat bekend als relatieve permeabiliteit. Het vermogen van ijzer en zeldzame aarden om deze afstemming van domeinen en algemeen magnetisme te behouden, staat bekend als hysterese.
Hoewel een ferromagneet zijn veld behoudt wanneer het inducerende magnetische veld wordt verwijderd, wordt het slechts in de loop van de tijd slechts bij een fractie van de oorspronkelijke sterkte behouden. Dit staat bekend als remanentie. Remanentie is belangrijk bij het berekenen van de sterkte van permanente magneten op basis van ferromagnetisme, waar ze worden gebruikt in industriële en consumentenapparatuur.
Een andere beperking van alle ferromagnetische apparaten is dat de eigenschap van magnetisme volledig verloren gaat bij een bepaald temperatuurbereik dat bekend staat als de Curietemperatuur. Wanneer de Curie-temperatuur voor een ferromagneet wordt overschreden, veranderen de eigenschappen ervan naar die van een paramagnet. De Curiewet van paramagnetische gevoeligheid gebruikt de Langevin-functie om de verandering in ferromagnetische naar paramagnetische eigenschappen in bekende materiaalsamenstellingen te berekenen. De verandering van de ene toestand naar de andere volgt een voorspelbare, stijgende, parabolisch gevormde curve naarmate de temperatuur stijgt. Deze neiging van ferromagnetisme om te verzwakken en uiteindelijk te verdwijnen als de temperatuur stijgt, staat bekend als thermische agitatie.
Het elektrische bromgeluid in een transformator zonder bewegende delen is te wijten aan het gebruik van een ferromagneet en staat bekend als magnetostrictie. Dit is een reactie van de ferromagneet op het geïnduceerde magnetische veld dat wordt gecreëerd door elektrische stroom die naar de transformator wordt gevoerd. Dit geïnduceerde magnetische veld zorgt ervoor dat het natuurlijke magnetische veld van de substantie enigszins van richting verandert om uit te lijnen met het aangelegde veld. Het is een mechanische reactie in de transformator op wisselstroom (AC), die meestal wisselt in 60 hertz cycli, of 60 keer per seconde.
Geavanceerd onderzoek met behulp van ferromagnetische eigenschappen heeft verschillende opwindende potentiële toepassingen. In de astronomie wordt een ferromagnetische vloeistof ontworpen als een vorm van vloeistofspiegel die gladder kan zijn dan glazen spiegels en wordt gemaakt tegen een fractie van de kosten voor telescopen en ruimtesondes. De spiegelvorm zou ook kunnen worden veranderd door magnetische veldactuatoren met cycli van één kilohertz te laten draaien.
Ferromagnetisme is ook ontdekt in samenwerking met supergeleiding in lopend onderzoek dat werd uitgevoerd in 2011. Een nikkel- en bismutverbinding, Bi 3 Ni, ontwikkeld op nanometerschaal of een miljardste meter, vertoont eigenschappen die verschillen van die van dezelfde verbinding in grotere monsters. Materiaaleigenschappen op deze schaal zijn uniek, omdat ferromagnetisme meestal supergeleiding opheft en het potentiële gebruik ervan nog steeds wordt onderzocht.
Duits onderzoek naar halfgeleiders gebouwd op een ferromagneet omvat het samengestelde gallium mangaan arseen, GaMnAs. Van deze verbinding is bekend dat deze de hoogste Curie-temperatuur heeft van elke ferromagnetische halfgeleider, van 212 ° Fahrenheit (100 ° Celsius). Dergelijke verbindingen worden onderzocht als een middel voor het dynamisch afstemmen van de elektrische geleidbaarheid van supergeleiders.