Co to jest ferromagnet?
Materiały ferromagnetyczne są zwykle oparte na elemencie żelaza i reprezentują jeden z trzech rodzajów magnetyzmu występującego w naturze, różniący się od diamagnetyzmu i paramagnetyzmu. Główne cechy ferromagnesów polegają na tym, że wykazują one naturalne pole magnetyczne, przy braku tego pierwszego nałożonego na substancję zewnętrznego źródła pola magnetycznego, a pole to jest, pod każdym względem, trwałe. Natomiast materiały diamagnetyczne wykazują słabe indukowane pole magnetyczne, które jest wprost przeciwne do pola obecnego w żelazie. Materiały paramagnetyczne obejmują aluminium i metale platyny, które mogą być indukowane tak, aby miały również niewielkie pole magnetyczne, ale szybko tracą efekt po usunięciu pola indukcyjnego.
Najczęstszym materiałem w naturze, który wykazuje właściwości ferromagnetyczne, jest żelazo, a jakość ta znana jest od ponad 2000 lat. Inne ziem rzadkich mogą również wykazywać ferromagnetyzm, takie jak gadolin i dysproz. Metale działające jak stopy ferromagnetyczne obejmują kobalt stopowy z samariamem lub neodymem.
Pole magnetyczne w ferromagnesie jest wyśrodkowane w obszarach atomowych, w których spiny elektronowe są ustawione równolegle względem siebie, zwane domenami. Domeny te są silnie magnetyczne, ale losowo rozproszone w całej masie samego materiału, co daje mu ogólny słaby lub neutralny naturalny magnetyzm. Biorąc takie naturalnie pola magnetyczne i wystawiając je na działanie zewnętrznego źródła magnetycznego, same domeny wyrównają się, a materiał zachowa jednolite, silne i trwałe pole magnetyczne. Ten wzrost ogólnego magnetyzmu substancji jest znany jako względna przepuszczalność. Zdolność żelaza i ziem rzadkich do zachowania tego wyrównania domen i ogólnego magnetyzmu jest znana jako histereza.
Podczas gdy ferromagnet zachowuje swoje pole po usunięciu indukującego pola magnetycznego, jest on zatrzymywany tylko z ułamkiem pierwotnej siły w czasie. Jest to znane jako remanencja. Remanencja jest ważna przy obliczaniu siły magnesów trwałych opartych na ferromagnetyzmie, gdy są one stosowane w urządzeniach przemysłowych i konsumenckich.
Innym ograniczeniem wszystkich urządzeń ferromagnetycznych jest to, że właściwość magnetyzmu zostaje całkowicie utracona w pewnym zakresie temperatur zwanym temperaturą Curie. Gdy temperatura ferromagenu zostanie przekroczona, jego właściwości zmieniają się na paramagnet. Prawo Curie wrażliwości paramagnetycznej wykorzystuje funkcję Langevina do obliczenia zmiany właściwości ferromagnetycznych na paramagnetyczne w znanych składach materiałów. Zmiana jednego stanu na drugi przebiega zgodnie z przewidywalną, rosnącą paraboliczną krzywą wraz ze wzrostem temperatury. Ta tendencja osłabiania się i ostatecznie zanikania ferromagnetyzmu wraz ze wzrostem temperatury jest znana jako mieszanie termiczne.
Brzęczenie elektryczne słyszane w transformatorze bez ruchomych części jest spowodowane wykorzystaniem ferromagnesu i jest znane jako magnetostrykcja. Jest to reakcja ferromagnesu na indukowane pole magnetyczne wytwarzane przez prąd elektryczny doprowadzany do transformatora. To indukowane pole magnetyczne powoduje, że naturalne pole magnetyczne substancji nieznacznie zmienia kierunek w celu wyrównania z przyłożonym polem. Jest to reakcja mechaniczna transformatora na prąd przemienny (AC), który zmienia się zwykle w 60 cyklach hercowych lub 60 razy na sekundę.
Zaawansowane badania z wykorzystaniem właściwości ferromagnetycznych mają kilka ekscytujących potencjalnych zastosowań. W astronomii ciecz ferromagnetyczna jest projektowana jako forma płynnego zwierciadła, które mogłoby być gładsze niż zwierciadła szklane i wytwarzane za ułamek kosztów teleskopów i sond kosmicznych. Kształt lustra można również zmienić poprzez cykliczne uruchamianie pola magnetycznego przy jednym kilohercowym cyklu.
Ferromagnetyzm odkryto również w połączeniu z nadprzewodnictwem w trwających badaniach przeprowadzonych w 2011 r. Związek niklu i bizmutu, Bi 3 Ni, opracowany w skali nanometrycznej lub jednej miliardowej metra, wykazuje właściwości inne niż właściwości tego samego związku w większe próbki. Właściwości materiału w tej skali są wyjątkowe, ponieważ ferromagnetyzm zwykle niweluje nadprzewodnictwo, a jego potencjalne zastosowania są wciąż badane.
Niemieckie badania nad półprzewodnikami zbudowanymi na ferromagrze obejmują złożony arsen galu manganu, GaMnAs. Wiadomo, że związek ten ma najwyższą temperaturę Curie spośród wszystkich półprzewodników ferromagnetycznych, wynoszącą 212 ° Fahrenheita (100 ° Celsjusza). Takie związki są badane jako sposób dynamicznego dostrajania przewodnictwa elektrycznego nadprzewodników.