Феромагнетик

Феромагне́тики — це речовини, елементарні структурні складові яких (атоми, іони ядра або колективізовані електрони) мають власні магнітні моменти, спонтанно орієнтовані паралельно один до одного або складнішим чином, внаслідок чого утворюються макрообласті (домени) з відмінним від нуля сумарним магнітним моментом. Такі властивості мають деякі метали (залізо, нікель, кобальт, гадоліній, манган, хром та їхні сплави) з великою магнітною проникністю, що проявляють явище гістерезису; розрізняють м'які феромагнетики з малою коерцитивною силою та тверді феромагнетики з великою коерцитивною силою. Феромагнетики використовуються для виробництва постійних магнітів, осердь електромагнітів та трансформаторів.

Схематичне зображення паралельної орієнтації магнітних моментів атомів в основному стані феромагнетика

Не плутати з феримагнетиками.

Властивості феромагнетизму

Найтиповішою властивістю є нелінійний характер процесу намагнічування

• Феромагнетики сильно втягуються в область сильнішого магнітного поля.^[]
• Магнітна сприйнятливість феромагнетиків позитивна і значно більше одиниці.^[]
• При не дуже високих температурах феромагнетики характеризуються спонтанною намагніченістю, яка сильно змінюється під впливом зовнішніх дій^[].

Властивості феромагнетиків пов'язані з наявністю у їхній структурі груп атомів, які називаються доменами, котрі вже мають узгоджену орієнтацію елементарних магнітних полів. Орієнтація полів самих доменів, яка відбувається при намагнічуванні, створює власне поле речовини значно сильніше, ніж у інших магнетиків, у яких відбувається лише часткова орієнтація елементарних полів атомів речовини. Орієнтація полів доменів значною мірою зберігається і після припинення дії зовнішнього поля. Така суть залишкового намагнічування. Проте інтенсивний тепловий рух може зруйнувати цю орієнтацію, тому за високої температури феромагнітні речовини втрачають свої магнітні властивості.

Також ферромагнетикам притаманний Ефект Барнета - намагнічування під час обертання навіть у відсутності зовнішнього магнітного поля.

Фізична природа феромагнетизму

Феромагнетизм виникає в речовинах, у яких як наслідок обмінної взаємодії, спінам електронів вигідно орієнтуватися паралельно. В результаті такої узгодженої орієнтації спінів виникає макроскопічний магнітний момент, який може існувати навіть без зовнішнього магнітного поля. При температурі, яка перевищує певну критичну (температура Кюрі), зумовлене тепловим рухом хаотичне розупорядкування бере гору над обмінною взаємодією й феромагнетик переходить в парамагнітний стан.

Напрямок намагніченості

Завдяки спін-орбітальній взаємодії орієнтація спінів у неізотропних середовищах не є довільною. Кристали феромагнітних речовин характеризуються так званими - кристалографічними напрямками, в яких орієнтується магнітний момент феромагнетика при відсутності зовнішнього магнітного поля. У слабкому магнітному полі, якщо його напрямок не збігається з віссю легкого намагнічування, індукований магнітний момент може не збігатися з напрямком магнітного поля. В сильних магнітних полях вплив осі легкого намагнічування повністю придушується.

Доменна структура

При температурі, нижчій за температуру Кюрі, магнітні моменти електронів сусідніх атомів у феромагнетику орієнтовані паралельно, проте зазвичай ця орієнтація не поширюється на все тіло. Слабка магнітна взаємодія між окремими сумарними моментами значних областей стає на заваді їхньому зростанню. Тому феромагнетик розбивається на окремі області повної намагніченості, так звані магнітні домени. Магнітні домени можуть орієнтуватися довільним чином, тому для феромагнетика існує розмагнічений стан. У цьому стані, незважаючи на локальне намагнічення, тіло з феромагнітної речовини не є магнітом. Окрім розмагніченого стану, феромагнітне тіло може перебувати в намагніченому стані, коли переважна кількість доменів має однакову орієнтацію магнітних моментів. Намагнічений стан може зберігатися, коли зовнішнє магнітне поле відсутнє.

Представники феромагнетиків

Серед хімічних елементів феромагнетні властивості мають перехідні елементи (див. Таблиця 1). Для 3d-металів і Ґадолінію характерна колінеарна феромагнетна атомна структура, для решти рідкісноземельних феромагнетиків — неколінеарна (спіральна й інші; див. ).

Таблиця 1 - Феромагнетні метали
Метали Tc^† Js0^‡ Fe 1 043 1 735,2 Co 1 403 1 445 Ni 631 508,8 Gd 289 1 980	Метали Tc Js0 Tb 223 2 713 Dy 87 1 991,8 Ho 20 3 054,6 Er 19,6 1 872,6
Примітки: ^† Tc — (точка Кюрі) — критична температура, вище якої феромагнітні властивості зникають і речовина стає парамагнетиком; К. ^‡ Js0< — — величина намагніченості одиниці об'єму за абсолютного нуля температури; (Гс).

Феромагнетні також численні металеві бінарні та складніші (багатокомпонентні) стопи та сполуки згаданих металів між собою та з іншими неферомагнетними елементами:

• стопи та сполуки Хрому та Манґану з неферомагнетними елементами (так звані (Гейслерові сплави));
• сполуки ZrZn₂ і Zr_xM_1-xZn₂ (де М — це Ti, Y, Nb або Hf);
• Au₄V, Sc₃In тощо (див. Таблиця 2);
• також деякі сполуки металів групи актиноїдів (наприклад, UH₃).

Таблиця 2 - Феромагнетні сполуки
Сполуки Tc^† Fe3Al 743 Ni3Mn 773 FePd3 705 MnPt3 350 CrPt3 580 ZnCMn3 353	Сполуки Tc TbN 743 DyN 773 EuO 705 MnB 350 ZrZn2 580 Au4V 353
Примітка: ^† Tc — (точка Кюрі) — критична температура, вище якої феромагнітні властивості зникають і речовина стає парамагнетиком; К.

При кімнатній температурі можна зробити такі діамагнетичні матеріали як мідь та парамагнетичні матеріали, як манган феромагнетиками, при розміщені їх між тонкими шарами C60. Такий ефект залишається недовгим, лише декілька днів.

Див. також

• Антиферомагнетики
• (Феримагнетики)
• Феромагнетизм
• (Магнітоакустична емісія)

Примітки

1. ДСТУ 2725-94 Матеріали магнітні. Терміни та визначення.
2. Гейслерові сплави [ 29 серпня 2016 у Wayback Machine.] (рос.)
3. Cartlidge, Edwin (2015). Non-magnetic metals turned into magnets. Nature. doi:10.1038/nature.2015.18129. ISSN 1476-4687.
4. Fatma Al Ma’Mari, Timothy Moorsom, Gilberto Teobaldi та ін. (05 серпня 2015). Beating the Stoner criterion using molecular interfaces. Nature. 524: 69—73. doi:10.1038/nature14621. Процитовано 5 серпня 2015. {{}}: Явне використання «та ін.» у: |author= ()

Джерела

• І.М. Кучерук, І.Т. Горбачук, П.П. Луцик (2006). Загальний курс фізики: Навчальний посібник у 3-х т. Київ: Техніка.
• Вакуленко М. О. Російсько-український словник фізичної термінології / За ред. проф. О. В. Вакуленка (додаток: «Російсько-український фізичний словник»: Близько 6 000 термінів). — К., 1996. — 236 с.
• Біленко І. І. Фізичний словник. — К.: Вища школа, Головне видав. 1979. — 336 с.
• Гірничий енциклопедичний словник : у 3 т / за ред. В. С. Білецького. — Д. : Східний видавничий дім, 2001—2004.

Література

• Виготовлення феромагнітних осердь електротехнічних пристроїв : Навч. посіб. для студ. електромех. спец. вищ. навч. закл. / Ю. І. Чучман; Нац. ун-т "Львів. політехніка". - Л., 2003. - 246 c. - Бібліогр.: с. 239-242.