Vad är en ferromagnet?
Ferromagnetiska material är vanligtvis baserade på elementet järn och representerar en av de tre typerna av magnetism som finns i naturen, skiljer sig från diamagnetism och paramagnetism. Ferromagnets primära kännetecken är att de uppvisar ett naturligt magnetfält i frånvaro av att detta först påförs ämnet av en yttre magnetfältkälla, och fältet är för alla syften permanent. Diamagnetiska material visar däremot ett svagt, inducerat magnetfält som är direkt motsatt av det som finns i järn. Paramagnetiska material inkluderar aluminium- och platinametaller, som också kan induceras med ett litet magnetfält, men snabbt förlorar effekten när det inducerande fältet tas bort.
Det vanligaste materialet i naturen som uppvisar ferromagnetiska egenskaper är järn, och denna kvalitet har varit känd i över 2000 år. Andra sällsynta jordar kan också uppvisa ferromagnetism, såsom gadolinium och dysprosium. Metaller som fungerar som ferromagnetiska legeringar inkluderar kobolt legerad med samariam eller neodym.
Magnetfältet i en ferromagnet är centrerad i atomområden där elektronspinn är inriktade parallellt med varandra, kända som domäner. Dessa domäner är starkt magnetiska men ändå slumpmässigt spridda över huvuddelen av själva materialet, vilket ger det en övergripande svag eller neutral naturlig magnetism. Genom att ta sådana naturligt magnetiska fält och utsätta dem för en extern magnetisk källa kommer domänerna själva att anpassas och materialet kommer att behålla ett enhetligt, starkt och bestående magnetfält. Denna ökning av ett ämnes allmänna magnetism kallas relativ permeabilitet. Förmågan hos järn och sällsynta jordar att behålla denna anpassning av domäner och generell magnetism kallas hysteres.
Medan en ferromagnet behåller sitt fält när det inducerande magnetfältet avlägsnas, kvarhålls det endast på en bråkdel av den ursprungliga styrkan över tid. Detta kallas remanence. Återstående är viktig för att beräkna styrkan hos permanentmagneter baserat på ferromagnetism, där de används i industriella och konsumentenheter.
En annan begränsning av alla ferromagnet-anordningar är att magnetismens egenskap är helt förlorad vid ett visst temperaturområde känt som Curie-temperaturen. När Curie-temperaturen överskrids för en ferromagnet, växlar dess egenskaper till parameterns. Curie-lagen om paramagnetisk känslighet använder Langevin-funktionen för att beräkna förändringen i ferromagnetiska till paramagnetiska egenskaper i kända materialkompositioner. Förändringen från ett tillstånd till ett annat följer en förutsägbar, stigande, parabolformad kurva när temperaturen ökar. Denna tendens för ferromagnetism att försvagas och så småningom försvinna när temperaturen ökar kallas termisk omröring.
Den elektriska brummen som hörs i en transformator utan rörliga delar beror på dess användning av en ferromagnet och är känd som magnetostriktion. Detta är ett svar från ferromagneten på det inducerade magnetfältet skapat av elektrisk ström som matas till transformatorn. Detta inducerade magnetfält får ämnets naturliga magnetfält att ändra riktning något för att anpassa sig till det applicerade fältet. Det är ett mekaniskt svar i transformatorn på växelström (AC), som vanligtvis växlar i 60 Hertz-cykler, eller 60 gånger per sekund.
Avancerad forskning med ferromagnetegenskaper har flera spännande potentiella tillämpningar. I astronomi designas en ferromagnetisk vätska som en form av vätskespegel som kan vara mjukare än glasspeglar och skapas till en bråkdel av kostnaden för teleskop och rumsonder. Spegelformen kan också ändras genom att cykla magnetfältmanövreringsorgan vid en kilohertz-cykel.
Ferromagnetism har också upptäckts i samarbete med supraledningsförmåga i pågående forskning som genomfördes under 2011. En nickel- och vismutförening, Bi 3 Ni, konstruerad i nanometerskala eller en miljarddels meter, visar egenskaper som skiljer sig från samma förening i större prover. Materialegenskaper i denna skala är unika, eftersom ferromagnetism vanligtvis avlägsnar superledningsförmåga, och dess potentiella användningar undersöks fortfarande.
Tysk forskning om halvledare byggda på en ferromagnet involverar den sammansatta galliummangansarsen, GaMnAs. Denna förening är känd för att ha den högsta Curie-temperaturen för någon ferromagnet halvledare, av 212 ° Fahrenheit (100 ° Celsius). Sådana föreningar undersöks som ett sätt att dynamiskt ställa in den elektriska konduktiviteten hos superledare.