Ферромагнитный материал

Ферромагнитный материал — это вещество, которое способно обладать спонтанной намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля и проявляет сильное притяжение к магниту. Ферромагнетики относятся к классу магнитоупорядоченных веществ и характеризуются наличием самопроизвольной намагниченности, которая возникает благодаря параллельной ориентации магнитных моментов атомов или ионов в кристаллической решётке. Это свойство отличает их от парамагнетиков (слабо намагничивающихся) и диамагнетиков (намагничивающихся против поля). Ферромагнетизм — одно из наиболее интенсивных проявлений магнетизма в твёрдых телах, лежащее в основе работы множества устройств — от трансформаторов и электродвигателей до жёстких дисков и магнитных датчиков.

Физическая природа ферромагнетизма

Ферромагнетизм обусловлен квантово-механическим обменным взаимодействием между электронами соседних атомов. Это взаимодействие, в отличие от классического диполь-дипольного, имеет не магнитную, а электростатическую природу и возникает из-за перекрытия волновых функций электронов. В результате обменного взаимодействия энергетически выгодной становится параллельная ориентация спиновых магнитных моментов соседних атомов.

Спонтанная намагниченность и домены

При температуре ниже определённой точки, называемой точкой Кюри (Tc), в ферромагнетике устанавливается дальний магнитный порядок: спины всех атомов в макроскопических областях выстраиваются параллельно. Однако весь образец в целом может не проявлять внешней намагниченности, так как он разбит на домены — микроскопические области, в каждой из которых намагниченность направлена по-своему. Домены разделены доменными стенками (границами Блоха или Нееля). В отсутствие внешнего поля суммарная намагниченность образца равна нулю.

При наложении внешнего магнитного поля происходит два процесса:

1. Смещение доменных границ — домены, ориентированные по полю, растут за счёт соседних.
2. Вращение намагниченности — внутри доменов магнитные моменты поворачиваются в направлении внешнего поля.

При достаточно сильном поле образец намагничивается до насыщения, когда все домены выстраиваются вдоль поля.

Температура Кюри

При нагревании выше температуры Кюри тепловое движение разрушает магнитный порядок, и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Для железа Tc ≈ 770 °C, для никеля — 358 °C, для кобальта — 1131 °C.

Гистерезис

Ферромагнетики обладают магнитным гистерезисом — отставанием намагниченности от изменения внешнего поля. При циклическом перемагничивании зависимость B(H) (магнитная индукция от напряжённости поля) образует петлю гистерезиса. Параметры петли — остаточная намагниченность (Br) и коэрцитивная сила (Hc) — определяют тип ферромагнетика:

• Магнитомягкие материалы (малая Hc, узкая петля) — легко перемагничиваются, используются в трансформаторах, электромагнитах.
• Магнитотвёрдые материалы (большая Hc, широкая петля) — сохраняют намагниченность, используются как постоянные магниты.

Классификация ферромагнитных материалов

Ферромагнитные материалы классифицируют по химическому составу, магнитным свойствам и области применения.

По химическому составу

1. Чистые металлы и сплавы на их основе

• Железо — классический ферромагнетик. Чистое железо (армко-железо) обладает высокой магнитной проницаемостью и низкой коэрцитивной силой. Используется в магнитопроводах.
• Никель — ферромагнетик с меньшей намагниченностью насыщения, чем у железа. Применяется в сплавах (пермаллой).
• Кобальт — ферромагнетик с высокой температурой Кюри. Используется в жаропрочных магнитах и магнитных сплавах.
• Гадолиний — редкоземельный ферромагнетик (Tc = 16 °C). Применяется в специальных магнитных системах.

1. Сплавы ферромагнитных металлов

• Пермаллой (сплав железа с никелем, 78–80% Ni) — обладает очень высокой магнитной проницаемостью (до 100 000). Используется в трансформаторах, магнитных головках, датчиках.
• Альнико (Al-Ni-Co-Fe) — магнитотвёрдый сплав для постоянных магнитов.
• Феррит (керамический материал на основе оксида железа Fe₂O₃ с добавками Ba, Sr, Mn, Zn) — обладает высоким удельным сопротивлением, что снижает потери на вихревые токи. Широко применяется в высокочастотной технике.

1. Интерметаллические соединения и редкоземельные магниты

• NdFeB (неодим-железо-бор) — современные магниты с рекордной энергоёмкостью. Используются в электродвигателях, наушниках, жёстких дисках.
• SmCo (самарий-кобальт) — магниты с высокой температурной стабильностью, применяются в авиации и космосе.

По магнитным свойствам

• Магнитомягкие — низкая Hc (менее 1000 А/м), высокая магнитная проницаемость, малые потери на перемагничивание. Примеры: электротехническая сталь, пермаллой, аморфные сплавы.
• Магнитотвёрдые — высокая Hc (более 10 000 А/м), большая остаточная намагниченность. Примеры: альнико, ферриты бария, NdFeB, SmCo.
• Магнитострикционные — материалы, изменяющие размеры при намагничивании (например, никель, терфенол-D). Используются в ультразвуковых излучателях и датчиках.

Основные характеристики

Для описания ферромагнитных материалов используют следующие параметры:

• Магнитная проницаемость μ = B/H — способность усиливать магнитное поле. Для ферромагнетиков μ может достигать десятков и сотен тысяч.
• Намагниченность насыщения Ms — максимальная намагниченность, достигаемая в сильном поле.
• Коэрцитивная сила Hc — напряжённость поля, необходимая для размагничивания образца.
• Остаточная намагниченность Br — намагниченность после снятия внешнего поля.
• Температура Кюри Tc — температура перехода в парамагнитное состояние.
• Удельное электрическое сопротивление — важно для снижения потерь на вихревые токи в переменных полях.

Применение

Ферромагнитные материалы — основа современной электротехники, электроники и приборостроения.

Электротехника

• Трансформаторы и дроссели — магнитопроводы из электротехнической стали (кремнистая сталь) или аморфных сплавов. Обеспечивают передачу энергии с минимальными потерями.
• Электродвигатели и генераторы — статоры и роторы из ферромагнитных материалов (листовая сталь, NdFeB-магниты).
• Электромагниты — сердечники из магнитомягкого железа или пермаллоя.

Постоянные магниты

• NdFeB — в электродвигателях, магнитных сепараторах, наушниках, жёстких дисках, магнитных замках.
• Ферритовые магниты — в динамиках, холодильниках, магнитных держателях.
• Альнико — в измерительных приборах, датчиках, медицинских аппаратах.

Высокочастотная техника

• Ферриты — в трансформаторах импульсных блоков питания, антеннах, фильтрах, линиях задержки.
• Магнитные плёнки — в запоминающих устройствах (магнитная лента, жёсткие диски).

Датчики и сенсоры

• Магниторезистивные датчики (GMR, TMR) — на основе ферромагнитных многослойных структур.
• Датчики Холла — с ферромагнитными концентраторами.
• Магнитострикционные датчики — для измерения давления, деформации, уровня жидкости.

Медицина

• Магнитно-резонансная томография (МРТ) — сверхпроводящие магниты с ферромагнитными элементами.
• Магнитные наночастицы — для адресной доставки лекарств, гипертермии, контрастирования.

История открытия и изучения

Ферромагнетизм известен с древности — природный магнит (магнетит Fe₃O₄) использовался в компасах. Научное изучение началось в XIX веке:

• 1820 год — Ханс Кристиан Эрстед обнаружил связь электричества и магнетизма.
• 1831 год — Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию.
• 1907 год — Пьер Вейс предложил теорию молекулярного поля и ввёл понятие доменов.
• 1928 год — Вернер Гейзенберг объяснил ферромагнетизм квантово-механическим обменным взаимодействием.
• 1930-е годы — Разработка ферритов (Л. Неель, Я. Смит).
• 1980-е годы — Создание магнитов NdFeB (Sumitomo Special Metals, General Motors).

Интересные факты

• Самый сильный постоянный магнит — из сплава NdFeB. Его энергоёмкость достигает 50 МГс·Э (мегагаусс-эрстед).
• Магнитная проницаемость пермаллоя может превышать 100 000 — это в миллионы раз больше, чем у вакуума.
• Температура Кюри для гадолиния — всего 16 °C, поэтому при комнатной температуре он парамагнитен.
• Ферромагнетизм наблюдается не только у металлов, но и у некоторых органических соединений (например, полимерных радикалов) при очень низких температурах.
• Слово «ферромагнетизм» происходит от латинского ferrum — железо, хотя железо — лишь один из многих ферромагнетиков.

Источники

• Вонсовский С. В. «Магнетизм». — М.: Наука, 1971.
• Китель Ч. «Введение в физику твёрдого тела». — М.: Наука, 1978.
• Бозорт Р. «Ферромагнетизм». — М.: Издательство иностранной литературы, 1956.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Электродинамика сплошных сред». — М.: Наука, 1982.
• «Магнитные материалы» / Под ред. А. А. Преображенского. — М.: Энергия, 1974.
• ГОСТ 19693-74 «Материалы магнитные. Термины и определения».