Серебро — еще один немагнитный металл. Это свойство позволяет обнаружить поддельное серебро. Когда «серебряные» монеты или ювелирные изделия притягиваются к магнитам, это нечто другое.
Магнитные свойства материала: основные характеристики и применение
Свойства магнитных материалов представляют собой класс физических явлений, опосредованных полями. Электрические токи и магнитные моменты элементарных частиц создают поле, которое влияет на другие токи. Наиболее известные явления происходят в ферромагнитных материалах, которые сильно притягиваются к магнитным полям и могут быть намагничены, чтобы стать постоянными и создавать такие же заряженные поля.
Лишь некоторые материалы являются ферромагнитными. Чтобы определить степень выраженности этого явления в конкретном веществе, существует классификация материалов по их магнитным свойствам. Наиболее распространенными являются железо, никель, кобальт и их сплавы. Приставка ferro означает железо, поскольку постоянный магнетизм впервые был замечен в одной из форм природной железной руды под названием Fe3O4.
Это вас заинтересует: Технология «образовательная лаборатория»: понятие, основные функции, характеристики и анализ эффективности.
Парамагнитные материалы
Хотя ферромагнетизм отвечает за большинство эффектов магнетизма, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, все остальные материалы в той или иной степени подвержены воздействию поля, а также некоторых других видов магнетизма. Парамагнитные материалы, такие как алюминий и кислород, лишь слабо притягиваются приложенным магнитным полем. Диамагнитные материалы, такие как медь и углерод, слабо отталкиваются.
Вам это будет интересно: Каковы окончания букв в английском языке?
Антиферромагнитные материалы, такие как хром и спиновые стекла, имеют более сложные отношения с магнитным полем. Магнитная сила в парамагнитных, диамагнитных и антиферромагнитных материалах обычно слишком слаба, чтобы ее можно было почувствовать, и может быть обнаружена только с помощью лабораторного оборудования, поэтому эти материалы не называют материалами с магнитными свойствами.
Условия
Магнитное состояние (или фаза) материала зависит от температуры и других переменных, таких как давление и приложенное магнитное поле. При изменении этих переменных материал может проявлять более одной формы магнетизма.
Магнитные свойства материала были впервые обнаружены в древние времена, когда люди заметили, что магниты, природные намагниченные минералы, могут притягивать железо. Слово магнит происходит от греческого термина magnetis lithos magnētis lithos, «магнитный камень, подножие».
Возможно, вас также заинтересует это.
В Древней Греции Аристотель приписывал первое научное обсуждение магнитных свойств материалов философу Фалесу Милетскому, который жил с 625 до н.э. по 545 до н.э. В древнеиндийском медицинском тексте «Сушрута Самхита» описывается использование магнетита для извлечения стрел, застрявших в теле человека.
Определение магнитных материалов
Магнитные материалы — это материалы, основным свойством которых является способность намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля. Некоторые из них сохраняют свой магнетизм даже после удаления магнитного поля.
Магнитные материалы включают чистое железо, никель, кобальт и их сплавы.
Основные типы магнитного состояния вещества (диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, ферримагнетики, антиферромагнетики)
В зависимости от магнитных свойств все материалы делятся на следующие группы: диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные, антиферромагнитные и ферромагнитные.
Диамагнетизм наблюдается во всех веществах и обусловлен тем, что внешнее магнитное поле влияет на орбитальное движение электронов таким образом, что в направлении внешнего поля индуцируется магнитный момент. Как только внешнее магнитное поле снимается, индуцированный магнитный момент диамагнита исчезает. Магнитная восприимчивость алмазного магнита равна kd(отрицательный) очень мал по абсолютной величине и не зависит от температуры или напряженности магнитного поля. Диамагнитное вещество вытесняется из магнитного поля.
К диамагнитным веществам относятся благородные газы, водород, медь, цинк и свинец (вещества, состоящие из атомов с полностью заполненными электронными оболочками). Магнитный момент их атомов равен нулю.
Парамагнитные вещества характеризуются тем, что они состоят из атомов с неполностью заполненными электронными оболочками, т.е. с магнитными моментами. Но эти атомы находятся так далеко друг от друга, что между ними нет никакого взаимодействия. Поэтому в парамагнетизме магнитные моменты атомов выстраиваются в направлении внешнего магнитного поля и усиливают его.
Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, имеет небольшое значение между 1 0-5 и 1 0-2 и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, но зависит от температуры. К парамагнитным элементам относятся Na и редкие земли, поскольку их атомы всегда имеют магнитные моменты. Парамагнит втягивается в магнитное поле.
Ферромагниты содержат атомы, обладающие магнитным моментом (пустые электронные оболочки), но расстояние между ними не так велико, как у парамагнитных атомов, поэтому между атомами существует взаимодействие, называемое обменным (предполагается, что соседние атомы обмениваются электронами). В результате этого взаимодействия параллельное выравнивание магнитных моментов соседних атомов (ферромагнетизм) или антипараллельное выравнивание (антиферромагнетизм) становится энергетически выгодным в зависимости от расстояния.
Под влиянием обменных сил параллельное выравнивание магнитных моментов атомов ферромагнитного материала происходит в определенных областях, называемых доменами. Внутри домена материал намагничивается до насыщения в отсутствие внешнего поля за счет обменного взаимодействия отдельных атомов. Это взаимодействие работает только до определенной критической температуры, называемой температурой Кюри. Выше температуры Кюри домены разрушаются, и ферромагнитный материал становится парамагнитным. Ферромагнитные материалы легко намагничиваются в слабых магнитных полях. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость ферромагнитов велики (до 10 6 ) и сильно зависят от температуры, а также от напряженности магнитного поля.
Антиферромагниты — это материалы, в которых при обменном взаимодействии соседних атомов происходит антипараллельное выравнивание магнитных моментов. Поскольку магнитные моменты соседних атомов компенсируют друг друга, антиферромагниты не имеют магнитного момента, но характеризуются магнитной восприимчивостью, близкой к восприимчивости парамагнетиков. Выше определенной критической температуры, так называемой температуры Нееля (аналогичной температуре Кюри), магнитоупорядоченное состояние антиферромагнетика разрушается, и антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние.
Общие сведения о группах магнитных материалов (магнитомягкие, магнитотвердые, материалы специализированного назначения)
Магнитные материалы классифицируются в соответствии с их свойствами следующим образом:
1. магнитомягкие материалы — это материалы с высокой проницаемостью для слабых и средних полей и низкой ковариацией. К ним относятся электротехнические стали, пермаллой, викаллой и термаллой.
Мягкие магнитные материалы используются для изготовления магнитопроводов электрических машин, магнитопроводов для трансформаторов и дросселей, полюсных выводов, сердечников, катушек, электромагнитных катушек и т.д.
2. твердые магнитные материалы с высокой коэрцитивной силой. Используется для производства постоянных магнитов для электродвигателей, электроизмерительных приборов, магнитных муфт и т.д.
3. прецизионные материалы со специальными свойствами (высокая магнитостойкость, термомагнитность, коррозионная стойкость и другие свойства).
Прецизионные магнитные материалы с особыми свойствами используются для изготовления магнитострикционных преобразователей, магнитопроводов систем, работающих в агрессивных средах, и магнитных ответвителей измерительных приборов.
Магнитные материалы также классифицируются в зависимости от их основы. Различают металлические материалы, неметаллические материалы и магнитодиэлектрические материалы.
Металлические магнитомягкие материалы — это чистое железо, листовая электротехническая сталь, железо Армко, пермалеты (железо-никелевые соединения) и т.д.
Металлические магнитотвердые материалы — это легированные стали, специальные сплавы на основе железа, алюминия, никеля и легирующих компонентов (кобальт, кремний).
Неметаллические магнитные материалы — это материалы, полученные из порошкообразной смеси оксидов некоторых металлов и оксида железа — ферриты. Ферриты делятся на магнитомягкие и магнитотвердые. Прессованные ферритовые изделия подвергаются высокотемпературной обработке — обжигу при температуре 1300-1500°C.
Магнитодиэлектрики представляют собой композитные материалы, состоящие на 70-80% из магнитного порошкового материала и на 30-20% из органического высокополимерного диэлектрика.
Магнитодиэлектрики и ферриты отличаются от металлических магнитных материалов тем, что имеют более высокое электрическое сопротивление. Это значительно снижает диэлектрические потери тока, что позволяет использовать эти материалы в высокочастотных приложениях.
Магнитные свойства материалов характеризуются рядом физических величин или магнитных характеристик: Петля гистерезиса, кривая намагничивания, магнитная проницаемость, потеря энергии при перемагничивании.
Основные физические свойства магнита определяются типом размагничивающей ветви петли магнитного гистерезиса материала, из которого изготовлен магнит. Чем больше движущая сила Hcи остаточной магнитной индукции Brматериала, т.е. чем он тверже, тем лучше прилегает к магниту. Индукция в магните может быть только настолько велика, насколько велика наибольшая остаточная индуктивность Brтолько если это замкнутая магнитная цепь.
Обычно магнит служит для создания магнитного потока в воздушном зазоре, например, между полюсами подковообразного магнита. Воздушный зазор уменьшает индукцию (и намагниченность) магнита; действие зазора аналогично действию внешнего размагничивающего поля Hd. Значение Hdчто уменьшает остаточную индуктивность Brк Бdопределяется конфигурацией магнита. Поэтому магнит можно использовать для создания магнитного поля, индуктивность которого B ≤ Br.
Использование «мягких» ферромагнетиков
Такие ферромагниты используются в производстве двигателей. Однако в этом случае свойства магнитов отличаются от свойств постоянных магнитов. Это означает, что материал должен быть «мягким» с магнитной точки зрения. Намагниченность изменяется при изменении внешнего магнитного поля. Тогда ферромагнит должен обладать высокой магнитной проницаемостью и низким гистерезисом.
В этом случае требуются чистые вещества без примесей и с минимальным количеством доменов, а стенки должны легко перемещаться. Анизотропия кристаллов сведена к минимуму. Если зерна расположены под неправильным углом к полю, магнетит все равно будет намагничен. Специально подобранный сплав железа и никеля (около 80 % Ni и 20 % Fe) со сплавом хрома, меди или кремния создает «мягкую» намагниченность и легко намагничивается. Такие материалы называются пермаллоями.
Хорошими магнитными свойствами обладают сплавы с содержанием никеля 75/5 %, которые получают путем двухэтапной обработки сплава. На первом этапе температура составляет от 900 до 950 °C в течение одного часа, затем следует медленное охлаждение. На втором этапе происходит нагрев до 600°C и охлаждение до комнатной температуры со скоростью 1 500 галлонов в минуту.
Чаще всего они используются в трансформаторах, но не подходят в качестве постоянных магнитов. Сплавы не должны деформироваться при изменении их свойств.
При максимальном значении магнитной проницаемости сплав используется для изготовления небольших сердечников трансформаторов, магнитных экранов и реле. При повышенном удельном сопротивлении используется для сердечников импульсных трансформаторов или высокочастотных устройств.
При расчете различных типов устройств переменного тока, содержащих ферромагнитные элементы, необходимо оценить тепловой эффект гистерезиса. Этот эффект в железных сердечниках трансформаторов или во вращающемся якоре генераторов постоянного тока приводит к тому, что часть энергии тратится на тепло гистерезиса, что снижает эффективность устройства. Поэтому для таких применений следует выбирать специальные типы ферромагнитов с минимальными петлями гистерезиса.
Исследования показали, что некоторые неферромагнитные металлы могут проявлять минимальные ферромагнитные свойства в определенных соотношениях. К ним относятся марганец, висмут, теллур хром и другие.
Ферриты
Пример 2
Можно ли транспортировать оцинкованные стальные трубы с помощью электромагнитного крана?
Решение
Этого не следует делать. Ферромагнитные свойства исчезают при температурах выше точки Кюри, он становится парамагнетиком с низкой магнитной проницаемостью. Поэтому наличие у него магнитных свойств недостаточно для использования его в качестве среды для переноса трубок.
Электромагнит
Электромагнит был изобретен в 1824 году британским ученым Уильямом Стердженом. Затем он был систематически усовершенствован и популяризирован американским ученым Джозефом Генри в начале 1830-х годов.
Электромагниты — это плотно намотанные катушки проволоки, которые действуют как магниты при подаче электрического тока. Его также можно отнести к временным магнитам, поскольку магнитное поле исчезает, как только отключается ток.
Полярность и силу магнитного поля, создаваемого электромагнитом, можно регулировать, изменяя направление и силу тока, протекающего по проводу. Это главное преимущество электромагнитов перед постоянными магнитами.
Для усиления магнитного поля катушка обычно наматывается на сердечник из «мягкого» ферромагнитного материала, например, мягкой стали. Провод, намотанный в одну или несколько петель, называется соленоидом.
Этот тип магнитов широко используется в электрических и электромеханических устройствах, таких как жесткие диски, динамики, накопители на жестких дисках, трансформаторы, электрические колокола, магнитные томографы, ускорители частиц и различные научные приборы.
Электромагниты также используются в промышленности для сбора и перемещения тяжелых предметов, таких как железный и стальной лом.
Часто задаваемые вопросы
Ферриты — это ферромагнитные соединения, полученные путем смешивания большого количества оксида железа с металлическими элементами, такими как марганец, барий, цинк и никель.
- Магниты AlNiCo содержат алюминий, никель и кобальт.
- Самарий-кобальтовые магниты изготавливаются из празеодима, церия, гадолиния, железа, меди и циркония.
- Неодимовый магнит, самый сильный тип редкоземельного магнита, изготавливается из сплавов неодима, бора и железа.
- Одномолекулярные магниты содержат кластеры марганца, никеля, железа, ванадия и кобальта.
Что такое природный магнит?
Природные магниты — это постоянные магниты, которые встречаются в природе. В отличие от искусственных магнитов, они никогда не теряют своей магнитной силы при нормальных условиях.
Самый сильный природный магнит — это магнитный камень, кусок минерала магнетита. Он имеет черный или коричневато-черный цвет и блестит при полировке. Куски магнитного камня использовались в первых магнитных компасах.
