Существуют различные типы материалов и веществ, состоящих из заряженных частиц, таких как электроны и протоны. Эти материалы могут проявлять магнитные свойства, когда на них воздействует внешнее магнитное поле — такие материалы называются магнитными. У них могут быть индуцированные или постоянные магнитные моменты. Для изучения магнитных свойств таких материалов их обычно помещают в стандартное магнитное поле, которое затем изменяется. В современной технологии магнитные материалы играют важную роль и являются ключевыми компонентами трансформаторов, двигателей и генераторов. Эта статья предоставляет краткую информацию о магнитных материалах.
Что такое магнитные материалы?
Материалы, которые намагничиваются под действием внешнего магнитного поля, называются магнитными материалами. Эти вещества также приобретают намагниченность, когда притягиваются магнитом. Примеры таких материалов: железо, кобальт и никель.
Они делятся на:
-
Магнитно твёрдые материалы — намагничиваются под действием сильного магнитного поля, создаваемого электромагнитом. Используются для создания постоянных магнитов из сплавов с железом, никелем, алюминием, кобальтом и редкоземельными элементами: самарием, неодимом, диспрозием.
-
Магнитно мягкие материалы — легко намагничиваются, но магнетизм носит временный характер. Например, если потереть отвёртку о постоянный магнит, она временно намагничивается, поскольку атомы железа временно выстраиваются в одном направлении.
Свойства
Свойства магнитных материалов включают:
-
Парамагнетизм: слабое притяжение к магнитному полю. Электроны с неспаренными спинами располагаются случайно. Пример — алюминий.
-
Ферромагнетизм: материалы (например, железо) сохраняют магнетизм даже после снятия внешнего поля. Электроны с неспаренными спинами упорядочены.
-
Антиферромагнетизм: магнитные моменты соседних атомов направлены противоположно, и суммарный магнитный момент равен нулю. Проявляется до определённой температуры — температуры Нееля, выше которой материал становится парамагнитным.
Как работают магнитные материалы?
Внутри магнитных материалов существуют магнитные домены — области, в которых магнитные моменты направлены одинаково. Энергия материала зависит от анизотропии, обменной энергии и магнито-статической энергии. Уменьшение размера частиц может увеличить количество доменов, изменяя магнитные свойства.
Если частицы слишком малы (меньше критического диаметра суперпарамагнетизма), их магнитные моменты становятся нестабильными. При размере между критическим диаметром и размером одного домена магнитный момент стабилизируется.
Типы магнитных материалов
-
Парамагнитные:
-
Примеры: олово, магний, алюминий.
-
Слабо притягиваются к магниту.
-
Примерная магнитная проницаемость алюминия: 1.00000065.
-
Магнитизуются только при очень сильном поле.
-
-
Диамагнитные:
-
Примеры: ртуть, цинк, свинец, дерево, медь, серебро, сера, висмут.
-
Отталкиваются магнитом.
-
Проницаемость < 1 (медь: 0.000005; дерево: 0.9999995).
-
При воздействии сильного магнитного поля слегка намагничиваются в противоположную сторону.
-
-
Ферромагнитные:
-
Примеры: никель, железо, кобальт, сталь.
-
Очень сильно притягиваются магнитом.
-
Состоят из доменов с упорядоченными диполями.
-
После снятия внешнего поля магнетизм сохраняется.
-
Применяются для создания постоянных магнитов.
-
Магнитные сырьевые материалы
-
Ферриты:
-
Промежуточные материалы между ферромагнитными и неферромагнитными.
-
Дешёвые, коррозионно-стойкие, применяются в бытовых и промышленных приборах.
-
-
Неодим:
-
Редкоземельный элемент (Nd), открыт в 1885 г.
-
Используется в сплаве Nd₂Fe₁₄B — один из самых сильных магнитов.
-
Заменяет другие магниты в промышленности и электронике.
-
-
Альнико:
-
Сплав алюминия, никеля и кобальта.
-
Прочные постоянные магниты, применяются в моторах, громкоговорителях, генераторах.
-
-
Самарий-кобальт (SmCo):
-
Разработан в США в 1970-х.
-
Редкоземельный сплав, похож на неодим по свойствам, но более термостойкий.
-
Сравнение магнитных и немагнитных материалов
| Характеристика | Магнитные материалы | Немагнитные материалы |
|---|---|---|
| Влияние магнита | Притягиваются | Не притягиваются |
| Примеры | Железо, никель, кобальт | Пластик, резина, бумага, серебро |
| Упорядоченность доменов | Параллельная или антипараллельная | Случайная |
| Магнетизация | Возможна | Невозможна |
Сравнительная таблица магнитных материалов
| Тип материала | Состав | Макс. рабочая температура | Темп. коэффициент | Плотность (г/см³) |
|---|---|---|---|---|
| Феррит | Оксид железа + керамика | 180 °C | -0.02% | 5 |
| Неодим | Неодим, бор, железо | 80 °C | 0.11% | 7.4 |
| Альнико | Никель, алюминий, железо, кобальт | 500 °C | -0.2% | 7.3 |
| Магнитная резина | Барий/стронций + резина | 50 °C | 0.2% | 3.5 |
| Самарий-кобальт | Самарий, кобальт | 350 °C | 0.11% | 8.4 |
Применение магнитных материалов
-
Генерация и передача электроэнергии.
-
Хранение данных: аудио- и видеокассеты, жесткие диски.
-
Используются в науке, производстве, обороне.
-
Производство трансформаторов, двигателей, микроволновых трубок, фильтров, усилителей.
-
Применяются в геологоразведке, исследовании океана, космоса и биотехнологиях.
-
Электроника, медицина, электротехника.
-
Электронные и электрические устройства: моторы, генераторы.
-
Устройства хранения: магнитные ленты, дискеты.
-
Магнитные сенсоры: эффект Холла, магниторезистивные сенсоры.
-
Медицинская техника: МРТ, кардиостимуляторы, системы доставки лекарств.
-
Магнитная сепарация (отделение магнитных частиц).
-
Возобновляемая энергетика: ветряки, гидроэлектростанции.